Quantenteleportation mit unvollkommenen Quantenpunkten

Einem internationalen Forscher­team ist es gelungen, Quanten­tele­porta­tion mit­hilfe unvoll­kommener Quanten­punkte zu reali­sieren. Die Ergeb­nisse zeigen, dass die strengen Anforde­rungen an ideale Photonen­quellen gelockert werden können und legen nahe, dass solche Quanten­punkte künftig eine wichtige Rolle bei Anwen­dungen der Quanten­kommuni­ka­tion spielen können.

„Bei der Quantenteleportation wird der Zustand eines Photons auf ein anderes über­tragen. Sender und Empfänger werden dabei mit­ein­ander verschränkt“, erläutert Klaus Jöns von der Univer­sität Paderborn. „Dazu bedarf es bestimmter Quellen, die ununter­scheid­bare Photonen produ­zieren. Idealer­weise verwendet man determi­nis­tische Photonen­quellen. In der Regel kommen dabei Quanten­punkte aus einem Halb­leiter­material zum Einsatz.“

Bislang haben Unzulänglich­keiten dieser Materialen eine reibungs­lose Anwendung im Rahmen der Quanten­tele­por­tation aller­dings behindert. Statt sich auf die Herstel­lung optimaler Materialen zu konzen­trieren, haben die Wissen­schaftler nun mit unvoll­kommenen Quanten­punkten gearbeitet. Ziel war es, trotz dieses Umstands Tele­por­ta­tionen mit maxi­maler Zuver­lässig­keit zu identi­fi­zieren.

„Wir konnten zeigen, dass die durch­schnitt­liche Tele­porta­tions­güte von unter­halb des klassischen Limits durch raffi­nierte Mess­methoden auf 84,2 Prozent ange­hoben werden kann“, so Jöns. „Das bedeutet, dass unsere Erfolgs­quote der Tele­por­ta­tions­messung nicht mehr mit der klassischen Physik erklärt werden kann, sondern auf dem quanten­mecha­nischen Effekt der Verschrän­kung basiert.“

„Um die Relevanz unseres Ansatzes zu verdeut­lichen, haben wir einen Quanten­punkt verwendet, dessen Leistungs­werte unter dem Durch­schnitts­wert liegen“, sagt der Forscher. „Unsere Arbeit zeigt also, dass die Suche nach dem perfekten Material vermieden werden kann und dass die Qualität der Photonen­quellen nicht weit von den strengeren Anforde­rungen an sichere Quanten­kommu­ni­ka­tions­anwen­dungen entfernt ist.“ Verwendet haben die Wissen­schaftler Quanten­punkte aus Gallium­arsenid. Der Werk­stoff hat den Vorteil, hoch verschränkte Zustände erzeugen zu können.

Durch spektrale Filterung haben sie weitere Optimie­rungen erzielt. „Die Ununter­scheid­bar­keit der Photonen kann durch spektrale Nach­selektion verbessert werden. Der Einsatz eines Etalon­filters hatte deut­lichen Einfluss auf das Wellen­paket der emit­tierten Photonen“, erklärt Jöns. „Die Entwick­lungen im Bereich der Quanten­techno­logien – vor allem die Quanten­kommuni­ka­tion über lange Ent­fernungen – sind mit zusätz­lichen tech­nischen Heraus­forde­rungen verbunden, sodass der Umgang mit Quellen­im­per­fek­tionen einen entschei­denden Beitrag dazu leisten kann, die nächsten Meilen­steine zu erreichen.“

U. Paderborn / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  F. B. Basset et al.: Quantum teleportation with imperfect quantum dots, NPJ Quantum Information 7, 7 (2021); DOI: 10.1038/s41534-020-00356-0
• Dept. Physik, Universität Paderborn