Quantenteleportation überträgt Qubits fast dreimal effizienter als bisher

Photonen gehen auf dem Weg durch Glasfaserkabel oder freien Raum ständig verloren, und je weiter die Strecke, desto größer die Verluste. Bei langen Distanzen überlebt oft nur ein winziger Bruchteil der ausgesandten Lichtteilchen die Reise zum Empfänger. Dieser Verlust erschwert Anwendungen wie lückenlose Bell-Tests oder abhörsichere Quantenschlüsselverteilung erheblich und bremst den Aufbau globaler Quantennetzwerke seit Jahrzehnten aus. Ein Team der University of Science and Technology of China (USTC) hat jetzt gezeigt, dass Quantenteleportation dieses Verlustproblem umgehen kann und dabei fast dreimal effizienter arbeitet als die direkte Übertragung von Photonen durch denselben verlustbehafteten Kanal.

Forscher:innen um Chao-Yang Lu und Jian-Wei Pan veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Nature Physics. Vier Jahrzehnte lang untersuchten Physiker:innen weltweit Quantenteleportation, doch bisher fehlte ein direkter experimenteller Vergleich zwischen Teleportation und klassischer Photonenübertragung über denselben Kanal. Das USTC-Team hat diesen Vergleich nun erstmals unter realistischen Verlustbedingungen durchgeführt.

Sechs Photonen für ein verschränktes Paar

Der Trick liegt in einem neuen optischen Verfahren zur Fernpräparation verschränkter Photonenpaare. Das Team erzeugt sechs Photonen gleichzeitig, misst vier davon und nutzt die Messergebnisse, um in den verbleibenden zwei Photonen ein verschränktes Einstein-Podolsky-Rosen-Paar zu erzeugen. Weil dieses Paar erst nach der Messung entsteht, umgeht es einen Großteil der Übertragungsverluste, die einzelne Photonen sonst auf dem Weg durch den Kanal erleiden.

Bei Tests mit einem Kanal, der nur etwa ein Prozent der Photonen durchließ, erreichte das Verfahren eine Heralding-Effizienz von 82 Prozent für die verschränkten Photonenpaare. Diese Photonen gelten als event-ready: Ein Detektionssignal bestätigt ihre Existenz, bevor sie überhaupt für die eigentliche Teleportation eingesetzt werden. Anschließend übertrug das Team Quantenzustände per Teleportation durch denselben Kanal und verglich das Ergebnis mit der direkten Übertragung. Die Teleportation erreichte dabei fast die dreifache Übertragungseffizienz, und zwar sowohl gegenüber der einfachen direkten Übertragung als auch gegenüber einer verbesserten Variante, die auf optimalem Quantenklonen beruht. Damit lieferte das Experiment den ersten unbedingten Nachweis, dass Teleportation die direkte Photonenübertragung unter realistischen Verlustbedingungen tatsächlich übertreffen kann.

Ein Baustein für künftige Quantennetzwerke

Lu ordnete die Bedeutung der Arbeit gegenüber Phys.org so ein: Die Quanteninformationsforschung stehe an einem Punkt, an dem es nicht mehr allein um die Demonstration faszinierender Quanteneffekte gehe, sondern darum, zu zeigen, dass Quantentechnologien die besten klassischen Alternativen bei klar definierten Aufgaben tatsächlich übertreffen können.

Das Team sieht in der Methode einen Baustein für Quantenrelais, Quantenrepeater und miteinander verbundene Quantenprozessoren. Als Nächstes wollen die Forscher:innen das Verfahren über reale Glasfaserstrecken und bestehende Quantennetzwerke testen. Zusätzlich planen sie, komplexere verschränkte Zustände wie Greenberger-Horne-Zeilinger-Zustände zu präparieren. Solche Ressourcen könnten leistungsfähigere Protokolle für Quantennetzwerke ermöglichen und echte Quantenvorteile in Kommunikation, verteiltem Rechnen und vernetzter Quanteninformationsverarbeitung sichtbar machen.

Die Ergebnisse liefern damit einen konkreten experimentellen Beleg dafür, dass Teleportation unter realistischen Netzwerkbedingungen einen praktischen Vorteil bieten kann, ein Schritt, den Lu als wichtige Voraussetzung für künftige Anwendungen bezeichnete.

via Phys.org