Ingenieuren ist es erstmals gelungen, eine Quantenteleportation über Glasfaserkabel zu demonstrieren, über das schon Internetverkehr läuft.
Wissenschaftler der Northwestern University haben herausgefunden, wie Informationen fast in Echtzeit und über beliebige Entfernungen teleportiert werden können. Der Prozess nutzt dafür herkömmliche Technologien. Die Wissenschaftler demonstrieren dabei, dass Quantenteleportation über bestehende Netzwerke möglich ist.
Quantenteleportation öffnet Tür zu neuer Kommunikationstechnologie
Ihre Studie stellten die Wissenschaftler auf arxiv.org online als eine neue Möglichkeit vor, Quantenkommunikation mit vorhandenen Internetkabeln zu kombinieren. Die Quantenteleportation ist dabei nur durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt. Sie ermöglicht eine neue, ultraschnelle und sichere Möglichkeit, Informationen zwischen weit entfernten Netzwerkbenutzern auszutauschen. Eine weitere Veröffentlichung erfolgte im Fachjournal Optica.
In der klassischen Kommunikation bestehen Signale aus Millionen von Photonen (Lichtteilchen). Bei der Quantenkommunikation hingegen werden nur Paare einzelner Photonen verwendet. Forscher glaubten bisher, dass diese Photonen in der „Autobahn“ der klassischen Kommunikation nicht durchkommen würden. Die Wissenschaftler zogen den Vergleich zu einem wackeligen Fahrrad, das sich in einem überfüllten Tunnel versucht, zwischen riesigen Schwerlasttransportern hindurchzuschlängeln.
Das Team der Northwestern University, finanziert vom US-Energieministerium, fand jedoch einen Weg, die empfindlichen Photonen durchzuleiten. Zunächst untersuchten sie, wie sich Licht in Glasfaserkabeln ausbreitet. Sie identifizierten dabei eine Wellenlänge, die weniger Störungen durch andere Signale erfährt, wodurch Photonen leichter hindurchgelangten. Sie platzierten das Photon auf dieser Wellenlänge und setzten zudem spezielle Filter ein, um das Rauschen des normalen Internetverkehrs zu minimieren.
Der Prozess der Quantenteleportation nutzt die Quantenverschränkung, eine Technik, bei der zwei Photonen unabhängig von ihrer Entfernung miteinander verbunden werden. Anstatt dass Teilchen physisch reisen, um Informationen zu übermitteln, tauschen verschränkte Teilchen Informationen über große Entfernungen aus, ohne sie physisch zu transportieren. Prem Kumar, Experte für Quantenkommunikation und Professor für Elektro- und Computertechnik an der McCormick School of Engineering der Northwestern University, der die Studie leitete, verdeutlicht:
„Bei der optischen Kommunikation werden alle Signale in Licht umgewandelt. Während herkömmliche Signale für die klassische Kommunikation typischerweise aus Millionen von Lichtteilchen bestehen, verwendet die Quanteninformation einzelne Photonen. […] Wir haben sorgfältig untersucht, wie Licht gestreut wird, und unsere Photonen an einem günstigen Punkt platziert, an dem dieser Streumechanismus minimiert wird. Wir haben festgestellt, dass wir Quantenkommunikation ohne Störungen durch die gleichzeitig vorhandenen klassischen Kanäle durchführen können.“
Mit nur zwei Photonen zu gelungenem Experiment
Um das Experiment zu starten, verlegten sie ein 30 Kilometer langes Glasfaserkabel mit einem Photon an jedem Ende. Daraufhin schickten sie sowohl normalen Internetverkehr als auch Quanteninformationen hindurch. Das Ergebnis war überraschend. Trotz des starken Internetverkehrs blieb die Qualität der Quanteninformationen beim Empfänger hoch. Ein Grund für Prem Kumar und sein Team den Erfolg zu feiern:
„Das ist unglaublich spannend, denn niemand dachte, dass das möglich wäre. Unsere Arbeit zeigt einen Weg hin zu Quanten- und klassischen Netzwerken der nächsten Generation, die eine einheitliche Glasfaserinfrastruktur gemeinsam nutzen. Im Grunde öffnet sie die Tür, um die Quantenkommunikation auf die nächste Ebene zu bringen.“
Studienleiter eröffnet Ausblicke auf nächste Ziele
Kumar plant, die Experimente bezüglich der Quantenteleportation auf größere Entfernungen auszudehnen. Er möchte zwei Paare verschränkter Photonen statt nur einem verwenden, um den Austausch von Verschränkungen zu zeigen. Er sieht darin einen wichtigen Schritt auf dem Weg zu verteilten Quantenanwendungen. Zudem prüft sein Team, Experimente über echte unterirdische Glasfaserkabel durchzuführen. Trotz der noch anstehenden Aufgaben zeigt sich Kumar optimistisch:
„Quantenteleportation hat die Fähigkeit, eine sichere Quantenverbindung zwischen geografisch weit entfernten Knoten herzustellen. Aber viele Menschen haben lange angenommen, dass niemand eine spezielle Infrastruktur bauen würde, um Lichtteilchen zu versenden. Wenn wir die Wellenlängen richtig wählen, müssen wir keine neue Infrastruktur bauen. Klassische Kommunikation und Quantenkommunikation können koexistieren.“
Die Erfolgsbilanz des Ansatzes der Quantenteleportation in Experimenten mit normalem Internetverkehr zeigt, dass es möglich ist, Quantenkommunikation auch in bestehenden Kommunikationsinfrastrukturen zu integrieren. Diese Ergebnisse könnten in Zukunft eine wichtige Grundlage für die Entwicklung eines Quanteninternets oder für die Nutzung von Quantenkommunikationsmethoden im bestehenden Kommunikationsnetzwerk darstellen.
