Zwei Lichtquellen, ein Quantenzustand: Physiker:innen verschränken Photonen, die sich nie trafen

Ein Quanteninternet soll Informationen abhörsicher übertragen, indem es verschränkte Lichtteilchen zwischen weit entfernten Stationen verteilt. Glasfasern verschlucken auf langen Strecken allerdings immer mehr Photonen, und klassische Verstärker scheiden aus, weil jede Messung den Quantenzustand zerstört. Physiker:innen setzen deshalb auf Quantenrepeater: Zwischenstationen, die kurze Teilstrecken zu einer langen Verbindung zusammenfügen. Den Kern eines solchen Repeaters bildet das sogenannte Entanglement Swapping. Ein Team der Sapienza Università di Roma um Giuseppe Ronco hat diesen Schritt nun erstmals mit Photonen aus zwei getrennten Halbleiter-Quantenpunkten umgesetzt. An der Studie im Fachmagazin Science Advances wirkte auch die Gruppe von Klaus Jöns von der Universität Paderborn mit.

Zwei Photonenpaare reichen ihre Verschränkung weiter

Jeder der beiden Quantenpunkte aus Galliumarsenid erzeugt ein verschränktes Photonenpaar, unabhängig vom anderen. Von jedem Paar schicken die Forscher:innen ein Lichtteilchen auf einen Strahlteiler, wo beide gemeinsam eine Bell-Zustandsmessung durchlaufen. Liefert diese Messung ein passendes Ergebnis, sind die zwei übrigen Photonen miteinander verschränkt, obwohl sie sich nie begegnet sind. Jöns beschreibt das Verfahren als Neuverknüpfung der Verschränkung zwischen zwei ursprünglich getrennten Paaren.

Piezo-Elemente gleichen die Lichtquellen an

Die Bell-Messung klappt nur, wenn die beiden eintreffenden Photonen quantenmechanisch interferieren. Dafür müssen sie praktisch ununterscheidbar sein. Zwei verschiedene Quantenpunkte senden normalerweise aber Licht mit leicht abweichenden Energien aus. Das Team bettete die Emitter deshalb in kreisförmige Bragg-Resonatoren ein, die das Licht effizient einsammeln und seinen zeitlichen Verlauf formen. Piezoelektrische Bauteile verspannen zusätzlich die Halbleiterstruktur und stimmen so die Photonenenergien aufeinander ab. Laut Jöns lassen sich die Eigenschaften inzwischen so genau steuern, dass Photonen aus zwei unterschiedlichen Quellen nahezu identisch ausfallen.

Fidelity von 0,71 liegt klar über der Schwelle

Als Maß für den Erfolg dient die Fidelity, also die Übereinstimmung des gemessenen Zustands mit einem ideal verschränkten. Die Gruppe erreichte bis zu 0,71 ± 0,02. Damit liegt der Wert mehr als zehn Standardabweichungen über der Grenze von 0,5, die unverschränkte Zustände nicht überschreiten können. Für den Spitzenwert werteten die Forscher:innen nur Detektionen innerhalb eines engen Zeitfensters aus. Ohne diesen Filter blieb die Verschränkung trotzdem nachweisbar, in einer Konfiguration mit einer Fidelity von 0,60 ± 0,01. Die beiden Quantenpunkte arbeiteten in getrennten Kühlapparaturen, zum Aufbau gehörte eine 150 Meter lange Glasfaserstrecke.

Photonenpaare auf Abruf, Ereignisrate noch zu niedrig

Frühere Experimente zum Entanglement Swapping zwischen entfernten Systemen nutzten probabilistische Quellen, die Photonenpaare zufällig erzeugen. Solche Quellen erzwingen einen Kompromiss: Wer die Paarrate erhöht, verschlechtert die Verschränkungsqualität. Quantenpunkte geben Paare dagegen auf Abruf ab und umgehen diesen Zielkonflikt. Die Arbeit knüpft an ein Experiment von 2025 an, in dem Teams aus Paderborn und Rom den Polarisationszustand eines Photons zwischen zwei Quantenpunkten teleportiert hatten. Swapping zwischen zwei Quantenpunkten nannten sie damals als nächstes Ziel.

Bis zum einsatzfähigen Repeater bleibt einiges zu tun. Erfolgreiche Ereignisse registrierte das Team bislang nur wenige Male pro Sekunde, und nicht jede Bell-Messung führt zur gewünschten Verknüpfung. Für ein Netz aus mehreren entfernten Knoten müssen Ereignisrate und Verschränkungsqualität steigen. Außerdem fehlen noch integrierte Quantenspeicher, die verschränkte Zustände zwischenlagern.

via Universität Paderborn