Ein neuer Schritt Richtung Quanteninternet

"In der Quantenphysik können sich zwei Teilchen in einem Zustand befinden, in dem sie wie durch Zauberhand über beliebig große Distanzen miteinander verbunden bleiben. Sind etwa Lichtteilchen (Photonen) verschränkt, dann bewirkt eine Messung des Zustandes eines der beiden Teilchen, dass das andere genau den gleichen Zustand einnimmt – wie zwei Würfel, bei denen zum Messzeitpunkt der eine automatisch die gleiche zufällige Augenzahl anzeigt wie der andere.

Dieses Phänomen machen sich WissensschafterInnen zunutze, um Information von einem Photon auf das mit ihm verschränkte Lichtteilchen an einem anderen Ort zu übertragen. In diesem Forschungsfeld der "Teleportation" sind die ForscherInnen rund um Anton Zeilinger und Rupert Ursin von der Universität Wien und dem Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Akademie der Wissenschaften (ÖAW) weltweite Vorreiter.

Teilchen können nichts verraten

Ihnen geht es einerseits darum, anhand des Phänomens der Verschränkung mehr über die Quantenphysik zu erfahren und andererseits um handfeste Anwendungen. So ist mithilfe der Verschränkung die absolut abhörsichere Verschlüsselung von Daten möglich, denn bis die Information an einem der Teilchen ausgelesen wird, befinden sie sich noch in keinem definitiven Zustand – "wissen" also sozusagen selbst nicht, was sie mitzuteilen haben und können damit auch nichts "verraten".

Auch ein zukünftiges Datennetzwerk könnte auf der Übertragung von Quanteninformation basieren. ForscherInnen sprechen in dem Zusammenhang vom Quanteninternet. Hier stehe man vor dem Problem, die Verschränkung "von A nach B zu bekommen", erklärt Ruper Ursin. Ein einfaches Auffangen, Verstärken und Weiterleiten eines Signals, wie es sogenannte Repeater im herkömmlichen Internet machen, komme im Quanteninternet nicht infrage. "Weil durch eine Messung und Verstärkung der Quantenzustand zerstört würde", so der Physiker.

Quantenrepeater erforderlich

Um die Verschränkung zu teleportieren, braucht es also eine Art "Quantenrepeater". Einen solchen haben die Wissenschafter nun zwischen Stationen der Europäischen Nordsternwarte auf den Kanaren-Inseln La Palma und Teneriffa realisiert. Dabei arbeiteten sie mit insgesamt vier Photonen, von denen je zwei aus der gleichen Quelle stammen.

"Dann verschränkt man jeweils ein Photon von der einen und eines von der anderen Quelle aktiv miteinander. Damit sind die jeweils anderen beiden auch miteinander verschränkt, obwohl sie gar keine gemeinsame Geschichte haben und auch nicht aus der gleichen Quelle stammen. Wir haben also quasi zwei Würfel hergestellt, die sich gleich verhalten, aber niemals miteinander interagiert haben. Genau das braucht man für einen Quantenrepeater. Man muss unabhängige Verschränkung zu jedem beliebigen Ort bringen können", so Ursin.

Mit ihrem Versuchsaufbau zeigten die Forscher, dass die Übertragung über die große Distanz von 143 Kilometern in der turbulenten Atmosphäre, die die Quantenzustände eigentlich stört, funktioniert. "Das stimmt uns auch zuversichtlich, einmal ein weltweit umspannendes Quantenkryptographie-Netzwerk aufspannen zu können", sagt Ursin. Und: Die Erde ist nicht genug, wollen die Forscher doch auch verschränkte Zustände von Satelliten aus übertragen. Daran seien etwa die europäische Weltraumagentur oder führende Satellitenhersteller sehr interessiert.

Verschränkte Photonen über Wien

In einem weiteren ebenfalls kürzlich in "PNAS" veröffentlichten Experiment haben die Wiener Physiker verschränkte Photonen über die Dächer Wiens geschickt, von der Hohen Warte in Wien-Döbling über drei Kilometer zum Dach der Fakultüt für Physik der Universität Wien. Mit dem Versuchsaufbau konnten sie zeigen, dass verschränkte Photonen mehr Information tragen können als bisher gedacht. "Für ein künftiges Quanteninternet – von dem ich überzeugt bin, dass es kommt – sind dies wichtige Arbeiten", so Anton Zeilinger. (APA/red)

Die Publikationen "Twisted photon entanglement through turbulent air across Vienna" (Autoren: Mario Krenn, Johannes Handsteiner, Matthias Fink, Robert Fickler und Anton Zeilinger) sowie "Teleportation of entanglement over 143 km" (Autoren: Thomas Herbsta, Thomas Scheidl, Matthias Finka, Johannes Handsteiner, Bernhard Wittmann, Rupert Ursin und Anton Zeilinger) erschienen im Journal "PNAS.