Teleportation von Quanteninformationen in einem kleinen Netzwerk

Forscher konnten Quanteninformationen über ein kleines Netzwerk mit drei Knotenpunkten teleportieren. Erstmals ist ihnen dabei die Quantenteleportation zwischen entfernten, nicht direkt verbundenen Knoten gelungen – ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem künftigen Quanteninternet, berichtet eine niederländische Forschergruppe, der auch ein Innsbrucker Physiker angehörte, im Fachjournal „Nature“.

Für künftige Anwendungen eines Quanteninternets müssen Quanteninformationen – sogenannte Quantenbits (Qubits) – über ein Netzwerk ausgetauscht werden. So könnten etwa Informationen abhörsicher übertragen oder mehrere Quantencomputer zur weiteren Steigerung ihrer Rechenleistung verbunden werden.

Doch die Übermittlung von Quanteninformationen zwischen Knoten ist nicht trivial. Im Labor kann man relativ einfach Qubits mittels Lichtteilchen senden, bei großen Entfernungen geht die in Photonen eingeschriebene Information aber aufgrund unvermeidlicher Verluste in Glasfaserkabeln höchstwahrscheinlich verloren.

Eine bessere Möglichkeit zur Übertragung von Quanteninformation bietet die Teleportation. Kern dieses aus der Science-Fiction-Serie „Star Trek“ bekannten Konzepts ist die Verschränkung. Bei diesem von Albert Einstein als „spukhafte Fernwirkung“ abgetanen quantenphysikalischen Phänomen bleiben zwei verschränkte Teilchen wie von Zauberhand miteinander verbunden und teilen ihre physikalischen Eigenschaften. Die Messung an einem legt unmittelbar den Zustand des anderen fest, auch wenn sie beliebig weit voneinander entfernt sind.

Die Teleportation ermöglicht damit die zuverlässige Übertragung von Quanteninformationen zwischen weit entfernten Knoten. Dass das funktioniert, wurde bei benachbarten Netzwerkknoten – die Physiker nennen sie immer „Alice“ und „Bob“ – schon oftmals erfolgreich demonstriert. Bei mehreren Knoten steigen allerdings die Anforderungen enorm.

Die Forscher von QuTech – eine Kooperation zwischen der Technischen Universität Delft und der niederländischen Forschungsorganisation TNO – haben nun nach eigenen Angaben erstmals die Teleportation zwischen nicht benachbarten Knoten, also über ein Netzwerk, demonstriert und Quantenbits von „Charlie“ zu „Alice“ übertragen – mithilfe von „Bob“. An der Arbeit war auch Simon Baier beteiligt, der nach seinem Doktorat in Innsbruck mit einem Schrödinger-Stipendium in Delft geforscht hat und nun wieder am Institut für Experimentalphysik der Uni Innsbruck arbeitet.

Sie nutzen dafür stationäre Qubits, wobei die Quanteninformation in winzige Defekte (Stickstoff-Fehlstellen-Zentrum; NV-Zentrum) eines Diamanten eingeschrieben wird. Die Teleportation selbst erfolgt dann in drei Schritten: Um den „Teleporter“ vorzubereiten, müssen einmal „Alice“ und „Charlie“ verschränkt werden. Weil sie keine direkte physische Verbindung haben, kommt „Bob“ ins Spiel, der mit den beiden anderen Knoten verbunden ist. Durch eine spezielle Abfolge von Verschränkungen und Messungen zwischen „Bob“ und „Alice“ sowie zwischen „Bob“ und „Charlie“ werden „Alice“ und „Charlie“ verschränkt.

Im zweiten Schritt wird in „Charlie“ das Qubit erzeugt, also die zu teleportierende „Nachricht“. Das können etwa „1“ oder „0“ oder verschiedene andere Zwischenwerte des Quantenzustands des NV-Zentrums sein. Um diese Information von „Charlie“ zu „Alice“ zu teleportieren, führt „Charlie“ eine Messung seines Quantenzustands durch. Weil er mit „Alice“ verschränkt ist, steht damit augenblicklich deren Quantenzustand fest. Mit der Messung erscheint also die Information sofort auf „Alices“ Seite.

Um die empfindliche Quanteninformation bei jedem dieser Schritte nicht zu zerstören, mussten die Forscher die Vorbereitung, die Manipulation und das Auslesen der Quantenzustände verbessern. Eine allgegenwärtige Teleportation in einem Quantennetzwerk sei allerdings noch in weiter Ferne, betonen nicht an der Arbeit beteiligte Forscher in einem begleitenden Artikel zu der Publikation. Weitere Verbesserungen seien erforderlich, um mehrere Teleportationsrunden zu ermöglichen und groß angelegte Quantennetzwerke zu schaffen.

Das wollen die Forscher erreichen, indem sie Schritt eins und zwei umkehren, also zuerst das zu teleportierende Quantenbit erzeugen und erst dann den „Teleporter“ vorbereiten, also „Alice“ und „Charlie“ verschränken. Dafür muss die Quanteninformation für kurze Zeit gespeichert werden. Gelingt das, könnte die Teleportation dann ganz auf Abruf erfolgen, was in einem künftigen Quanteninternet wohl notwendig sein wird.

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