Quantenphysik-Team veröffentlicht Ergebnisse zu verschränkten Photonenpaaren in Nature Physics
Auf einen Blick
Forschende des Instituts für Quantenphysik und Astrophysik haben in Nature Physics erstmals die kohärente Manipulation verschränkter Photonenpaare über 50 km Glasfaser demonstriert.
Die Studie belegt die technische Machbarkeit von Quantenkommunikation über große Entfernungen in realen Netzwerkinfrastrukturen.
Das Experiment wurde unter realen Bedingungen in einem aktiven Glasfasernetz der Deutschen Telekom durchgeführt.
Die Ergebnisse sind ein wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu einem quantensicheren Kommunikationsnetz in Deutschland.
Das Institut koordiniert nun ein europäisches Konsortium für den Aufbau eines Quantennetz-Demonstrators.
Grundlagen: Quantenverschränkung und Kommunikation
Quantenverschränkung ist ein Phänomen der Quantenmechanik, bei dem zwei Teilchen – in diesem Fall Photonen – in einem gemeinsamen Quantenzustand präpariert werden, sodass die Messung des einen Teilchens sofort Information über den Zustand des anderen liefert, unabhängig von der räumlichen Trennung.
Dieses Prinzip ist die Grundlage der Quantenkryptographie (QKD): Mit verschränkten Photonenpaaren können theoretisch abhörsichere Schlüssel übertragen werden, da jeder Abhörversuch den Quantenzustand unweigerlich stört und damit detektierbar wird. Die bisherige Herausforderung bestand darin, die Verschränkung über große Distanzen in realen Glasfasernetzen aufrechtzuerhalten.
Das Experiment: 50 Kilometer in realem Netz
Das Team um Prof. Dr. Claudia Menzel und Dr. Benjamin Ruck hat für ihr Experiment eine Glasfaserverbindung zwischen dem Institut in Köln und einer Messstelle in Bonn genutzt, die der Deutschen Telekom gehört und im normalen Betrieb läuft. Durch eine neuartige Technik zur aktiven Kompensation von Polarisationsdrift – einer der größten Hürden für Quantenkommunikation in realen Netzen – gelang es, die Kohärenz der verschränkten Photonenpaare über die gesamte Distanz aufrechtzuerhalten.
Der gemessene Bell-Parameter überstieg den klassischen Grenzwert (Bell’sche Ungleichung) mit einer Signifikanz von 8,3 Sigma, was die vollständige Quantenkohärenz und die Abwesenheit klassischer Korrelationen eindeutig belegt.
Bedeutung und nächste Schritte
Die Veröffentlichung in Nature Physics stellt einen Meilenstein in der anwendungsorientierten Quantenkommunikationsforschung dar. Sie zeigt, dass der Einsatz vorhandener Glasfaserinfrastruktur für Quantennetzwerke prinzipiell möglich ist, ohne dass ein separates Glasfasernetz gebaut werden müsste.
Aufbauend auf diesen Ergebnissen koordiniert das Institut nun das europäische Konsortium „QNet-Connect“, das über eine EU-Horizon-Förderung von 8,7 Millionen Euro einen Quantennetz-Demonstrator zwischen Köln, Amsterdam und Paris aufbauen will. Ziel ist es, bis 2027 eine stabile Quantenkommunikationsverbindung über eine Distanz von mehr als 500 Kilometern zu etablieren.