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Quantenkommunikationsnetzwerke sollen es künftig ermöglichen, Quantenzustände zwischen weit entfernten Orten auszutauschen. Ein zentraler Baustein dafür sind sogenannte Quantenrepeater. Sie sollen die Verschränkung – eine besondere quantenphysikalische Verbindung zwischen Teilchen – über mehrere Teilstrecken hinweg aufbauen. Das dafür notwendige Verknüpfen einzelner Verbindungen gelingt durch ein komplexes Verfahren namens „Entanglement Swapping“. Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Universität Paderborn hat nun einen wichtigen Meilenstein erreicht: Erstmals wurde ein photonisches Entanglement Swapping mit verschränkten Photonenpaaren aus zwei separaten Halbleiter-Quantenpunkten demonstriert. Dabei werden zwei Lichtteilchen miteinander verschränkt, die zuvor keine Verschränkung miteinander teilten.
Zwei Lichtteilchen verschränken, die einander nie begegnet sind
Im Experiment erzeugen zwei separate Galliumarsenid-Quantenpunkte jeweils ein verschränktes Photonenpaar: Die Photonen 1 und 2 bilden ein Paar, die Photonen 3 und 4 das andere. Anschließend werden die Photonen 2 und 3 zur Interferenz gebracht und gemeinsam einer sogenannten Bell-Zustandsmessung unterzogen. Ein entsprechendes Messergebnis führt dazu, dass die verbleibenden Photonen 1 und 4 miteinander verschränkt sind – obwohl sie niemals direkt miteinander wechselgewirkt haben.
„Bei diesem Verfahren wird die Verschränkung zwischen zwei ursprünglich getrennten Photonenpaaren neu verknüpft“, erklärt Prof. Dr. Klaus Jöns von der Universität Paderborn. „Genau diese Fähigkeit brauchen wir, um einzelne Quantenverbindungen zu größeren Netzwerken zusammenzuschließen.“
Das Team erreichte eine Übereinstimmung mit dem angestrebten verschränkten Zustand – die sogenannte „Fidelity“– von bis zu 0,71 ± 0,02. Damit liegt das Ergebnis mehr als zehn statistische Standardabweichungen über der klassischen Grenze von 0,5 und weist die erfolgreiche Übertragung der Verschränkung eindeutig nach. Das Protokoll wurde mit Ereignisraten im Hertz-Bereich umgesetzt.
Licht auf Abruf statt zufälliger Paarerzeugung
Bisherige Demonstrationen des rein photonischen Entanglement Swapping zwischen räumlich getrennten Systemen beruhten auf probabilistischen Lichtquellen. Diese erzeugen Photonenpaare nach einem Zufallsprozess. Wird ihre Anregung verstärkt, um mehr Paare zu erhalten, entstehen zugleich häufiger unerwünschte Mehrfachpaare, die die Qualität der Verschränkung beeinträchtigen können.
Quantenpunkte bieten hier einen entscheidenden Vorteil: Als gezielt anregbare Quantenemitter können sie verschränkte Photonenpaare auf Abruf erzeugen, ohne demselben grundlegenden Zielkonflikt zwischen Paarerzeugungsrate und Verschränkungsqualität zu unterliegen. Das macht sie besonders interessant für größere Quantennetzwerke. Die gesamte Entanglement-Swapping-Operation gelingt dabei weiterhin nur bei geeigneten Messergebnissen. Die bedarfsgerechte Erzeugung der Photonenpaare ist jedoch eine wichtige Voraussetzung für ihre zukünftige Skalierung.
Ein Meilenstein mit mehr als zehn Jahren Vorgeschichte
Für Prof. Jöns knüpft das Ergebnis an eine langjährige gemeinsame Forschungsagenda an. Bereits 2014 entwickelte er mit Prof. Dr. Rinaldo Trotta (Rom) und Prof. Dr. Armando Rastelli (Linz) eine Roadmap für den Einsatz von Quantenpunkten in Quantenrepeatern. Die nun demonstrierte Übertragung von Verschränkung zwischen Photonen aus zwei separaten Quantenpunkten gehörte zu den zentralen Meilensteinen. „Seit unseren ersten Überlegungen haben sich die Quantenpunkt-Lichtquellen enorm weiterentwickelt“, sagt Prof. Jöns. „Heute können wir ihre Eigenschaften so präzise kontrollieren, dass Photonen aus zwei unterschiedlichen Quantenpunkten nahezu ununterscheidbar werden. Das ist essenziell, damit sie miteinander interferieren und wir Verschränkung übertragen können.“
Präzise Nanofabrikation als Grundlage
Zum Einsatz kommen verspannungsfreie Galliumarsenid-Quantenpunkte in zirkularen Bragg-Resonatoren. Diese Strukturen ermöglichen es, das ausgesandte Licht effizient zu sammeln. Die Quantenpunkte sind gezielt in hybride Halbleiter-Piezo-Bauelemente integriert. Mithilfe dreiachsiger piezoelektrischer Aktoren lassen sich ihre Eigenschaften so abstimmen, dass die Photonen der beiden unterschiedlichen Emitter nahezu identisch werden.
Die dafür notwendige Entwicklung und Nanofabrikation wurde durch die Zusammenarbeit der Sapienza Universität Rom, der Universität Würzburg, der Fachhochschule Vorarlberg und der Johannes Kepler Universität Linz ermöglicht. Erst das Zusammenspiel aus hochwertigen Quantenpunkten, effizienter Lichtauskopplung und präziser Abstimmung schuf die Voraussetzungen für das komplexe quantenoptische Experiment.
Die Ergebnisse eröffnen einen Weg, bedarfsgerecht anregbare Quellen verschränkter Photonen auf Basis von Quantenpunkten für Quantenrepeater-Netzwerke zu nutzen. Ein vollständiger Quantenrepeater ist damit noch nicht realisiert – ein zentraler Baustein dafür ist nun jedoch demonstriert.
