Anfang 2025 bahnten sich spezielle Signale ihren Weg durch eine Glasfaser-Autobahn, die über den Straßen und Gehwegen der Vororte von Maryland verlegt war. Das Eintreffen dieser Signale an ihrem Zielort markiert einen bedeutenden Schritt in Richtung eines lang gehegten Traums vom Aufbau eines „Quanten-Netzwerks“. Forscher glauben, dass diese aufkommende Technologie eines Tages Quantenvorrichtungen auf eine Weise miteinander verbinden könnte, die die wissenschaftliche Forschung beflügelt, ultrasichere Kommunikation ermöglicht und die Leistungsfähigkeit zukünftiger Quantencomputer steigert.
Eine besondere Art von Netzwerk – Permalink
Quantennetzwerke basieren auf einem besonderen Phänomen, das als Verschränkung bezeichnet wird. Oft als „spukhafte Fernwirkung“ beschrieben (eine Übersetzung eines von Albert Einstein geprägten Ausdrucks), teilen sich verschränkte Objekte einen gemeinsamen Quantenzustand, was bedeutet, dass sie nicht unabhängig voneinander beschrieben werden können, selbst wenn sie weit voneinander entfernt sind. Wird ein Objekt eines verschränkten Paares gemessen, bestimmt dieser Vorgang die Ergebnisse einer Messung am anderen Objekt.
Diese Fernverbindungen könnten Bereiche von der Astronomie über die Seismologie bis hin zur Arzneimittelforschung grundlegend verändern. Durch den Austausch verschränkter Photonen könnten Teleskope, die Tausende von km voneinander entfernt sind, eines Tages das Licht desselben entfernten Sterns oder Planeten sammeln und kombinieren und so ein viel schärferes Bild liefern, als es ein einzelnes Teleskop allein könnte. Über ein Gebiet verteilte verschränkte Sensoren könnten auf winzige seismische Störungen „lauschen“ und ein bevorstehendes Erdbeben oder einen Vulkanausbruch genau lokalisieren.
Netzwerke aus verschränkten Quantencomputern könnten unterdessen eines Tages Algorithmen berechnen, die für ein einzelnes Gerät zu komplex sind, und Wissenschaftlern dabei helfen, potenzielle neue Medikamente und Materialien zu simulieren. Eine weitere mögliche Anwendung: hochsichere Kommunikationsnetzwerke, in denen jeder Hacking-Versuch leicht erkannt würde.
Um solche Vorteile nutzen zu können, müssen Wissenschaftler jedoch zunächst zahlreiche technische Herausforderungen bewältigen. Zu den größten Hürden gehört es, einen Weg zu finden, die empfindlichen verschränkten Zustände außerhalb des Labors aufrechtzuerhalten.
Quantennetzwerke beziehen ihre Leistungsfähigkeit aus der Verbindung weit voneinander entfernter Nutzer. Der Aufbau ganzer Glasfasernetzwerke ausschließlich für Quantenanwendungen wäre jedoch unerschwinglich teuer. Daher machte sich ein Forscherteam des NIST, des Joint Quantum Institute (einer Partnerschaft zwischen dem NIST und der University of Maryland) sowie des in New York ansässigen Unternehmens Qunnect daran, zu testen, ob Quantennetzwerke auf der bestehenden Glasfaserinfrastruktur betrieben werden können, die das heutige Internet versorgt.
„So schlecht, wie eine Verbindung nur sein kann“ permalink
Die meisten Glasfasern, die die Forscher in ihrer Studie verwendeten, hängen an Masten. Sie dehnen sich aus, wenn die Temperaturen tagsüber steigen, und ziehen sich nachts zusammen. Der Wind weht an ihnen herum, und Vögel landen darauf. All diese Einflüsse können verschränkte Photonen verzerren, während sie sich durch die Fasern ausbreiten. „Das ist so ziemlich die schlechteste Verbindung, die man sich vorstellen kann“, sagte der NIST-Physiker Oliver Slattery, einer der Autoren der neuen Studie.
Eine störungsreiche Umgebung stellt für die sogenannten klassischen Netzwerke, über die Ihre Telefonate, Videostreams, E-Mails und so weiter übertragen werden, kein Problem dar. Bei der klassischen Kommunikation werden Informationen in der Regel durch Modulation der Leistung des gesendeten Lichts codiert, was unempfindlich gegenüber mechanischen Störungen oder Temperaturänderungen ist.
Im Gegensatz dazu können verrauschte Glasfasern ein Hindernis für Quantennetzwerke darstellen. Das liegt daran, dass verschränkte Zustände in der Regel in der sogenannten Polarisation der Photonen kodiert sind – also der Richtung, in der ihr elektrisches Feld schwingt.
Wenn sich Glasfasern ausdehnen, zusammenziehen und im Wind schwanken, können sie sich verdrehen und die Polarisationen der durch sie hindurchlaufenden Photonen verzerren – was möglicherweise auch die empfindlichen verschränkten Zustände stört.
Festlegung des Quantenzustands in Echtzeit
In ihrer Studie verwendeten die NIST-Forscher ein handelsübliches Gerät, um verschränkte Photonenpaare zu erzeugen. Die Photonen jedes Paares teilten sich einen einzigen Quantenzustand, in dem die Polarisation des einen Photons mit der des anderen verknüpft war. So konnten die beiden Polarisationen beispielsweise parallel zueinander oder im rechten Winkel zueinander stehen.
Ein Photon aus jedem Paar wurde zu einem Analysator im NIST-Labor geleitet, der die Polarisation des Photons maß. Das andere durchlief eine 62 km (etwa 38,5 Meilen) lange Glasfaser zu einem zweiten Labor an der University of Maryland in College Park.
Die Forscher wussten, dass die Glasfaser die Quantenzustände der fliegenden Photonen verzerren und damit die Verschränkung zerstören würde, wenn sie diese nicht schützten. Daher setzten die Wissenschaftler zwei Geräte ein, um die Polarisationen der Photonen in Echtzeit zu stabilisieren. Diese von Qunnect entwickelten Geräte sendeten „Referenz“-Lichtstrahlen durch die Glasfaser und maßen am anderen Ende, wie sich deren Polarisationszustände verändert hatten. Die exakte Umkehrung dieser Veränderungen wurde dann auf die Versuchsphotonen angewendet, wodurch ihre Verschränkung erhalten blieb.
Den Wissenschaftlern gelang es, 1.500 verschränkte Photonen pro Sekunde zu übertragen – eine beachtliche Rate, die jedoch noch verbessert werden müsste, damit Quantennetzwerke praxistauglich werden. Über einen Zeitraum von 24 Stunden konnten die Forscher in 92,8 Prozent der Zeit verschränkte Photonen verteilen, wobei nur 7,2 Prozent der Zeit für die Korrektur der Polarisationen benötigt wurden. Ein statistischer Test bestätigte, dass die an beiden Enden der Faser detektierten Photonen tatsächlich verschränkt geblieben waren.
Das Experiment brach keinen Rekord für Verschränkung über große Entfernungen; eine europäische Gruppe verteilte im Jahr 2022 verschränkte Photonen über eine unterirdische Glasfaserleitung von 248 km Länge. Die neue Studie zeichnet sich jedoch dadurch aus, wie viel der Glasfaser oberirdisch verlief und Einflüssen ausgesetzt war, mit denen Quantennetzwerke in der Praxis zurechtkommen müssen.
„Ich würde dies als Stresstest für Quantenvernetzungssysteme bezeichnen“, sagt Yicheng Shi, Physiker am NIST und Hauptautor der Studie. „Wir haben das System in einer Umgebung, die wirklich voller Störungen ist, einem extremen Test unterzogen. Erstaunlicherweise hat es trotzdem funktioniert. Das zeigt, dass Quantenvernetzungsprotokolle in realen Umgebungen funktionieren können.“
