Forschung

Rauschunterdrückung im Quantenkanal

29.11.2019 - Hochdimensionale Verschränkung kann das Rauschen in Quantennetzen deutlich verringern.

Rauschen ist so etwas wie der natürliche Feind der Quanten­information. Bisher stand es einer Quanten­kommunikation außerhalb von Forschungs­laboren immer wieder im Weg. Denn: Die Verschränkung, eines der wichtigsten Quanten­phänomene, das sich durch die unmittelbare Verbundenheit von Teilchen über beliebige Entfernungen auszeichnet und die Basis für die Vorteile der Quanten­kommunikation gegenüber herkömmlichen Methoden bildet, gilt als besonders anfällig für jegliche Störungen aus ihrem Umfeld. Schon eine geringe Interaktion mit der Umgebung kann zur Zerstörung der Verschränkung führen.
 

Einem internationalen Team von Forschern am Institut für Quantenoptik und Quanten­information Wien der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) ist es jetzt gelungen, die Quanten­verschränkung weitaus robuster als bisher zu machen. Damit wird nicht nur die Verschränkung selbst sicherer, sondern kann auch über größere Distanzen aufrechterhalten werden. Ein Durchbruch, der für die Langstrecken-Quanten­kommunikation – etwa zwischen Satelliten und Bodenstationen – von zentraler Bedeutung ist.

Das Rauschen wird hauptsächlich durch den Verlust von Teilchen bei der Übertragung verursacht. Üblicherweise werden für die Verschränkung Lichtteilchen verwendet, da sich diese mit Licht­geschwindigkeit fortbewegen und nur wenig mit der Umgebung wechselwirken. Dazu wird meistens die Polarisation oder der Erzeugungszeitpunkt der Photonen als Informations­träger herangezogen.

Bei ihrem Experiment nutzten die Quantenphysiker nun Schwingungs­richtung, Erzeugungs­zeitpunkt und Erzeugungs­ort. Die Information wurde also in den räumlichen und zeitlichen Eigenschaften der verschränkten Licht­teilchen eingeschrieben. Das Forschungsteam konnte erfolgreich nachweisen, dass sich mit dieser hochdimensionalen Verschränkung starkes Rauschen überwinden lässt – und zwar auch außerhalb von gut isolierten Laboratorien.

„Der Grund dafür ist, dass Verschränkung bei vielen unterscheidbaren Zuständen spezielle Korrelationen aufweist, die auch bei starkem Hintergrund­rauschen noch eindeutig von klassischen Korrelationen unterschieden werden können“, erklärt Marcus Huber, Koordinator der Studie und Physiker an der ÖAW.

Erstmals könnte diese Methode der Quanten­verschränkung zudem auch bei Tageslicht funktionieren. Tatsächlich gibt es bisher nur wenige Experimente, die auch tagsüber gelingen. Weil die Sonne ein noch höheres Rauschlevel bewirkt, werden die meisten Quanten­kommunikation-Experimente über Freistrahl­verbindungen in der Nacht durchgeführt.

Warum eine robuste und alltagstaugliche Quanten­verschränkung für zukünftige Anwendungen von Quanten­technologien wichtig ist, erläutert ÖAW-Physiker Sebastian Ecker: „Quanten­verschränkung ist das Rückgrat der Quanten­kommunikation. Ein sicheres Quanten­internet kann es nur geben, wenn die Verschränkung weitgehend ungestört übertragen wird. Mit unserem Experiment konnten wir zeigen, wie sich die Verschränkung robuster gestalten lässt. Das ist ein weiterer wichtiger Schritt zum Quanten­internet der Zukunft.“ 

ÖAW / DE
 

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