Quanteninternet rückt näher: Clusterzustand reist durch Campus-Glasfaser

Quantencomputer rechnen heute meist isoliert. Wer sie verbinden will, braucht ein Netz, das nicht nur einzelne verschränkte Lichtteilchen transportiert, sondern ganze verknüpfte Quantenzustände. Die vorhandene Glasfaser-Infrastruktur käme dafür infrage, doch komplexe Zustände überstanden den Transport bisher nur unter Laborbedingungen. Forscher:innen der Leibniz Universität Hannover haben diese Hürde nun genommen. Sie übertrugen einen sogenannten Clusterzustand über eine teilweise real verlegte Glasfaserstrecke. Das Experiment verbindet eine genutzte Campusleitung mit zusätzlicher Glasfaser im Labor. Die Arbeit entstand im Exzellenzcluster PhoenixD. Kues betont: Laborbedingungen reichen für Anwendungen in künftigen Quantennetzwerken nicht aus.

Vier Quantenbits auf zwei Photonen

Clusterzustände bestehen aus mehreren verschränkten Quantenbits. Gezielte Messungen daran führen Rechenschritte aus. Das Team um Prof. Dr. Michael Kues kodierte vier Quantenbits in nur zwei Photonen. Jedes Lichtteilchen trug zwei Quantenbits, gespeichert in vier extrem kurzen Zeitfenstern des Signals. Diese Zeitfenster passen in bestehende Telekommunikationsfasern. Das senkt das Verlustrisiko: Bei vier Quantenbits auf vier Photonen zerstört der Verlust eines einzigen Teilchens die gesamte Übertragung. Den Clusterzustand erzeugten die Physiker:innen bei der Herstellung des Photonenpaars, indem sie die Phase eines Laserpulses verschoben. Ein zusätzlicher Quantengatter-Schritt entfiel.

29,5 Kilometer durch Campus und Labor

Eines der beiden Photonen lief durch eine verlegte Leitung zwischen zwei Instituten auf dem Campus. Hin- und Rückweg summierten sich auf 4,5 Kilometer. Danach durchlief das Photon 25 Kilometer Glasfaser, die als Spule im Labor lag. Der optische Weg betrug damit 29,5 Kilometer, der im Stadtgebiet verlegte Abschnitt nur 4,5. Das zweite Photon und beide Auswertestationen blieben im Labor. Schwankende Laufzeiten drohten die winzigen Zeitabstände der Signale zu verwischen. Eine geregelte optische Verzögerung drückte die zeitliche Streuung auf 2,8 Pikosekunden.

Verschränkung bleibt erhalten

Messungen bestätigten, dass der Zustand nach dem Transport verschränkt blieb. Die Auswertung bestätigte die mehrteilige Verschränkung mit hoher statistischer Sicherheit. Die Forscher:innen führten außerdem erste Grundoperationen des messbasierten Quantenrechnens vor. Zum Auslesen entwickelten sie eine elektro-optische Technik, die zeitlich versetzte Signalanteile überlagert. Damit entfällt für jedes Zeitfenster ein eigener, aufwendig stabilisierter Interferometer-Aufbau. Die Studie erschien im Fachmagazin Light: Science & Applications.

Noch kein fertiges Quantennetz

Die Auslesetechnik verursacht optische Verluste und störende Überlagerungen. Der Aufbau umfasst nur zwei Auswertestationen und taugt nicht als Architektur für fehlertolerante Quantencomputer. Als nächste Schritte müssen die Stationen räumlich getrennt stehen und die Übertragungsraten steigen. Kues will solche Zustände künftig als Ressource für Netzwerke von Quantencomputern und für besonders sichere Kommunikation einsetzen. Bis dahin liefert das Ergebnis den Beleg, dass komplexere verschränkte Zustände mit üblichen Glasfasern vereinbar sind.

via Leibnitzuniversität Hannover via IWD