Die Quantenverschränkung über 30 Meilen Glasfaser hat das supersichere Internet näher gebracht

Ein Bild von Glasfaser Pixabay

Albert Einstein wollte damit nichts zu tun haben: Er spottete über das seltsame Konzept der Quantenverschränkung als gespenstische Fernwirkung. Aber hundert Jahre später könnte Einsteins Schreckgespenst dazu beitragen, ein sichereres Internet zu schaffen, dank der bisher zuverlässigsten Technik zur Verflechtung von Knoten entlang kilometerlanger Glasfaserkabel.

Mit der Verschränkung kann ein Objekt in eine Quantenüberlagerung mehrerer Zustände versetzt werden – wie Schrödingers Katze, gleichzeitig lebendig und tot – und diese Überlagerung kann mit einem anderen Objekt geteilt werden. Theoretisch werden diese Objekte diese Verbindung auch dann aufrechterhalten, wenn sie getrennt sind, sodass die Messung des einen den Zustand des anderen offenbart, egal wie weit entfernt.

Das interessiert nicht nur Quantenphysiker. Ein Quanteninternet würde eine ultrasichere Kommunikation sensibler Nachrichten ermöglichen. Eine Technik besteht darin, ein Paar digitaler Schlüssel zu verschlüsseln, eine Technologie, die als Quantenschlüsselverteilung (QKD) bekannt ist. Wenn zwei Personen beide diese Schlüssel haben, können sie sich unterhalten, ohne befürchten zu müssen, belauscht zu werden, da ein Lauscher den Zustand der Schlüssel ändern und entdeckt werden würde.

QKD ist jedoch auf die Messung des Zustands der quantenverschlüsselten Schlüssel angewiesen, und da diese Messung durch die Bedingungen in den Sende- und Empfangsgeräten beeinflusst werden kann, müssen Sie deren genaue physikalische Bedingungen kennen. Das kann unpraktisch sein, da selbst winzige physikalische Schwankungen die Messungen verfälschen können.

Aus diesem Grund wurden die Kuriositäten der Quantenverschränkung genutzt, um die Grundlage für einen noch besseren Ansatz zu bilden. Verschränkung ist viel schwieriger durchzuführen, könnte aber auf lange Sicht ein nützlicheres Quanteninternet als Quantenschlüssel bieten. Indem Sie Knoten in einem Netzwerk verschränken, stellen Sie eine Verbindung zwischen den verschränkten Partikeln her, die die Geräte selbst umgeht, wodurch die unrealistische Anforderung vermieden wird, dass Sie ihren genauen Zustand kennen.

Zumindest im Prinzip. In der Praxis erfordert die Verschränkung auch ideale Bedingungen. Quantensysteme reagieren empfindlich auf kleinste Störungen: Eine Temperaturänderung oder eine leichte Bewegung kann alles durcheinanderbringen. Ein bahnbrechendes Experiment im Jahr 2015 zeigte, dass die Quantenverschränkung über eine Entfernung von knapp 1,3 Kilometern funktioniert. In den Jahren seitdem haben Forscher verschränkte Partikel getrennt, indem sie sie über Glasfasern und sogar bis zu einem Satelliten und zurück geschickt haben. Aber die Zuverlässigkeit war sehr gering.

In einem Artikel in Nature Today beschreiben Pan Jian-Wei von der University of Science and Technology of China in Hefei und seine Kollegen ein Experiment, in dem sie demonstrieren Verwicklung durch mehr als 30 Meilen Faser im Labor aufgewickelt, mit geringeren Übertragungsfehlern als frühere Versuche. Dies ist eine große Verbesserung, sagt Pan, der manchmal als Vater der Quantentechnologie bezeichnet wird.

Der Trick bestand darin, effiziente Wege zu finden, um zwei Teilchen zu verschränken. Das Team verwendete ein Atom, das an Ort und Stelle blieb, und ein Photon, das durch die Faser geschickt wurde. Sie fanden heraus, dass sie in der Lage waren, ein verschränktes Knotenpaar viel zuverlässiger zu erzeugen, als in früheren Experimenten gezeigt wurde – einschließlich desjenigen, das den Meilen-Benchmark setzte, den es um fünf Größenordnungen übertraf.

Wie wichtig ist dieses Ergebnis? Es ist schön, aber nicht annähernd so groß, wie es klingt, sagt Stephanie Wehner , Forscher bei QuTech, einem Forschungszentrum für Quantencomputing und Quanteninternet in Delft in den Niederlanden. Pans Team verwendete 30 Meilen gewickelte Fasern, was immer noch ein beeindruckendes Maß an Kontrolle über das gesamte System erfordert, aber die Verschränkung zwischen zwei Knoten an einem Ort zu demonstrieren ist viel einfacher als wenn sie es sind eigentlich 30 Meilen auseinander.

Aber Distanz ist das eine. Pans Team behauptet auch, dass sein Aufbau zuverlässiger ist als frühere Beispiele und somit eine bessere Grundlage für ein tatsächliches Quanteninternet schafft. Nachdem er die Techniken mit einer gewickelten Faser demonstriert hat, glaubt er, dass sie sie leicht erweitern können, um in einer geraden Linie zu arbeiten. Die in dieser Arbeit entwickelten Methoden könnten in naher Zukunft zum Aufbau von Quantennetzwerken zwischen Städten verwendet werden, sagt er.

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