Quanteninformationen sind bekanntermaßen sehr empfindlich. Der Internetverkehr hingegen ist alles andere als das. Dennoch haben Wissenschaftler der Northwestern University gezeigt, dass beide innerhalb desselben Glasfaserkabels problemlos nebeneinander existieren können.
In einer neuen Studie gelang es den Forschern, verschränkte Photonen durch ein 24,4 km langes Glasfaserkabel zu senden, das Evanston mit der Innenstadt von Chicago verbindet, während über dasselbe Kabel gleichzeitig Internetverkehr mit hoher Kapazität übertragen wurde. Selbst inmitten der Flut herkömmlicher Daten blieben die Quantensignale bemerkenswert intakt – die Verschränkung blieb mit einer Genauigkeit von über 94 Prozent erhalten.
Indem die Arbeit es ermöglicht, dass empfindliche Quantensignale und leistungsstarke klassische Datenströme sich dieselbe Glasfaser teilen, zeigt sie einen praktischen Weg zum Aufbau zukünftiger Quantennetzwerke auf, ohne dass eine völlig neue Kommunikationsinfrastruktur erforderlich ist. Die Studie ist der erste Nachweis der Verflechtungsverteilung zwischen entfernten Knotenpunkten über eine Glasfaser, die gleichzeitig modernen kommerziellen Telekommunikationsverkehr überträgt.
Quanteninformationen gegen den Datenstrom
„Quantensignale sind im Vergleich zu klassischen Signalen sehr, sehr winzig“, sagte Prem Kumar von der Northwestern University, der leitende Autor der Studie. „Es ist, als würde eine Ameise einen Weg durchqueren, der voller Elefanten ist. Unsere Ergebnisse zeigen, dass Photonen die Reise überstehen und verflochten bleiben können.“
Im Gegensatz zum heutigen Internet, das Informationen als Bits (Nullen und Einsen) speichert, basieren Quantennetzwerke auf Quantenzuständen, wie beispielsweise Qubits im Zusammenhang mit dem Quantencomputing. Dazu gehört auch die Quantenverschränkung, eine Eigenschaft, bei der die Quantenzustände zweier Teilchen untrennbar miteinander verbunden sind, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen. Anstatt sich zu bewegen, um Informationen zu übermitteln, können verschränkte Teilchen dabei helfen, Quanteninformationen über große Entfernungen hinweg auszutauschen – ohne sie physisch zu transportieren –, und zwar durch einen Prozess, der als Teleportation bezeichnet wird. Dieser Ansatz ist zwar ultraschnell und sicher, aber auch unglaublich empfindlich gegenüber Störungen. Selbst die geringste Menge an optischem Rauschen kann die informationstragenden Photonen überlagern.
„In der optischen Kommunikation werden alle Signale in Licht umgewandelt“, sagte Kumar. „Während herkömmliche Kommunikationssignale in der Regel aus Millionen von Lichtteilchen bestehen, nutzt die Quanteninformation einzelne Photonen.“
Ruhige Wellenlänge für empfindliche Photonen
In einer Studie aus dem Jahr 2024 entdeckten Kumar und seine Mitarbeiter einen neuen Weg, um empfindlichen Photonen dabei zu helfen, dem dichten Datenverkehr auszuweichen. Nach eingehenden Untersuchungen darüber, wie Licht in Glasfaserkabeln gestreut wird, fand das Team eine weniger ausgelastete Wellenlänge, auf der es seine Photonen platzieren konnte. Anschließend fügten sie spezielle Filter hinzu, um Störungen durch den regulären Internetverkehr zu reduzieren. In Laborexperimenten mit einem 30 km langen Kabel, das mit Hochgeschwindigkeits-Internetverkehr gefüllt war, funktionierte der Ansatz. „In diesem Experiment haben wir gezeigt, was möglich ist“, sagte Kumar. „Wir haben eine echte Quantenteleportation über 30 km erreicht, allerdings nur im Labor. Wir wollten das Experiment realistischer gestalten und in die reale Welt übertragen.“
Für das neue Experiment erzeugte Kumar Paare verschränkter Photonen in seinem Labor auf dem Evanston-Campus der Northwestern University. Ein Teil jedes verschränkten Photonenpaares blieb in Evanston, während der jeweils andere Teil 24,4 km durch verlegte Glasfaserkabel zur StarLight International/National Communications Exchange Facility auf dem Campus der Northwestern University in der Innenstadt von Chicago übertragen wurde. Die Photonen teilten sich dieselbe Glasfaser mit zwei Datenkanälen mit einer Übertragungsrate von jeweils 800 Gbit/s sowie einer zusätzlichen optischen Leistung, die einer voll ausgelasteten kommerziellen Verbindung entspricht.
„Die Faser führte genug Leistung, um potenziell 36 Tbit/s an klassischen Daten zu übertragen“, sagte Kumar. „Das entspricht in etwa 20 Millionen YouTube-Videos, die gleichzeitig über eine einzige Faser gestreamt werden.“
Um zu verhindern, dass der intensive Datenverkehr die Quantenphotonen überfordert, verlagerten Kumar und sein Team die Photonen in einen ruhigeren Bereich des optischen Spektrums, das sogenannte O-Band. Die konventionelle Kommunikation blieb auf das C-Band beschränkt, in dem kommerzielle Systeme typischerweise betrieben werden.
Präzise Synchronisation im Pikosekundenbereich
Da das Experiment zwischen zwei physisch getrennten Standorten stattfand, mussten die Forscher zudem beide Enden des Netzwerks auf eine Genauigkeit von Billionsstel einer Sekunde synchronisieren. Mithilfe eines optischen Zeitsteuerungssystems namens „White Rabbit“ gelang ihnen eine Synchronisation im Pikosekundenbereich. Diese Präzision ermöglichte es dem Team, trotz des starken Hintergrunddatenverkehrs passende Paare verschränkter Photonen in Echtzeit zu identifizieren.
Kumar und sein Team maßen eine Verschränkungsgenauigkeit von über 94 Prozent und bestätigten damit, dass die Verschränkung die Übertragung auf einem Niveau überstanden hatte, das für ein klassisches Kommunikationssystem unmöglich zu reproduzieren ist.
Der nächste Schritt: Quantenteleportation im Stadtnetz
Die Studie ist Teil eines umfassenderen Wandels hin zur Integration von Quantentechnologien in bestehende Telekommunikationssysteme. Als Nächstes plant das Team, Quantenteleportation zwischen entfernten Knotenpunkten über ein reales Telekommunikationsnetz durchzuführen. Kumar hat zwar bereits in seinem Labor Teleportation durchgeführt, möchte diese nun jedoch über ein städtisches Glasfasernetz demonstrieren, über das kommerzieller Datenverkehr läuft.
„Wir haben eine wichtige Hürde genommen und gezeigt, dass wir die Verflechtungsverteilung bewerkstelligen können“, sagte Kumar. „Aber die Teleportation umfasst zwei Schritte. Zunächst muss die Verflechtung verteilt werden. Dann muss die Information übertragen werden. Jeder Schritt wird zunehmend komplizierter und schwieriger, aber wir zeigen, dass es möglich ist.“
