Hybrider Verschränkungsaustausch – ein Quantensprung für die Quantenkommunikation
Auf der Ebene der Photonen, Elektronen und noch kleineren Teilchen gelten die Beschreibungen unserer physikalischen Welt, die uns die klassische Mechanik vorgibt, nicht mehr. Licht kann sich wie ein Teilchen verhalten. Materie kann sich wie eine Welle verhalten. Und die physikalischen Eigenschaften eines Teilchens können die eines anderen beeinflussen, unabhängig von der Entfernung (sogar über mehrere Kilometer) zwischen ihnen. Dieses Phänomen nannte Einstein „spukhafte Fernwirkung“. Heute ist es besser als Quantenverschränkung bekannt und hat bedeutende Auswirkungen auf die Quanteninformationsverarbeitung sowie die sichere Quantenkommunikation. Mit Unterstützung der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen arbeitete das Projekt HELIOS daran, die jüngst gezeigte Verschränkung von teilchen- und wellenähnlichem Licht zu erforschen, ein Phänomen, das Hybridverschränkung genannt wird.
Ein zufälliger Quantensprung für die Quantenkommunikationsprotokolle
Licht ist für die Verteilung und Verarbeitung von Quanteninformationen perfekt geeignet. Es ist mit der derzeit bestehenden klassischen und Quantenkommunikationstechnik kompatibel und seine Geschwindigkeit ist unübertroffen. Aufgrund seines Welle-Teilchen-Dualismus unterstützt es einen Ansatz zur diskreten Kodierung von Quanteninformationen ähnlich wie ein digitales Signal sowie einen kontinuierlich variablen Ansatz ähnlich wie ein analoges Signal. Der Projektstipendiat Giovanni Guccione hatte sich vorgenommen, einen hybriden Ansatz zu demonstrieren, indem er die beiden in einer Quantenversion eines Analog-Digital-Wandlers kombinierte und dabei die Quantenteleportation des Lichts ausnutzte. „Bei der Teleportation des Quantenzustands werden die Quanteneigenschaften des Systems vom Einstiegs- zum Ausstiegsknoten übertragen, ohne dass er dazwischen abgelesen werden kann, was die Quanteninformationsverarbeitung gefährden könnte“, erläutert Guccione. Das Verfahren baut sowohl auf der klassischen Kommunikation als auch der Quantenverschränkung zwischen Sender- und Empfängerknoten auf. Obwohl er auf dem Weg dorthin mehrere größere technische Hürden überwinden musste, entwickelte Guccione einfache und gleichzeitig außerordentlich innovative Lösungen. Während des Prozesses demonstrierte das Projekt HELIOS die hybride Verschränkung des Lichts und machte eine weitere wegweisende Entdeckung. Guccione erinnert sich: „Mit der verbesserten Version demonstrierten wir auch das erste Beispiel für den Verschränkungsaustausch eines Hybridzustands von Licht. Diese Demonstration bewies, dass ein Teilchen, das anfangs mit einem anderen Teilchen verschränkt ist, dafür empfänglich ist, sich mit einer intrinsisch andersartigen Einheit zu verschränken, ohne jemals direkt mit ihr zu interagieren.“ Guccione fasst zusammen: „Von der Erzeugung hybrid verschränkter Zustände bis hin zu anderen fundamentalen Quantenkommunikationsprotokollen ist der Höhepunkt des Projekts der erfolgreiche Verschränkungsaustausch mittels Hybridverschränkung. Da Quanteninformationen nicht wie klassische Signale reproduziert oder verstärkt werden können, ermöglicht der Verschränkungsaustausch die Erstellung von Quantenverstärkern, eine Art Äquivalent der Quantenmechanik für klassische Reichweitenverlängerer über das Netzwerk.“ Diese Ergebnisse könnten für zukünftige heterogene Quantennetzwerke entscheidend sein, da sie den sicheren Austausch von Quanteninformationen verbessern und sogar den Grundstein für ein Quanteninternet bilden könnten.
In Lichtgeschwindigkeit der Zukunft entgegen
HELIOS erweiterte den Horizont der Quantenkommunikationsverarbeitung und der Quanteninformatik. Das Forschungsteam bewies, dass die Quantenkorrelationen nicht nur zwischen Modi, die niemals miteinander interagiert haben, hergestellt werden können, sondern auch zwischen Modi, die sich auf ansonsten inkompatible Kodierungen stützen. Guccione schließt: „Während dies im Vergleich zu künftigen Fortschritten nur ein kleiner Schritt ist, verdeutlicht es dennoch, wie schnell sich die Quantenmechanik von der reinen Theorie zu praktischen, realen Anwendungen weiterentwickelt. Die ‚gewöhnliche‘ Quantenkommunikation könnte schneller Wirklichkeit werden als erwartet.“ So sind wir dem Quanteninternet vielleicht schon näher als wir denken, denn es ist eng verflochten mit dem jüngst demonstrierten hybriden Verschränkungsaustausch und liegt nur einen Schritt davon entfernt.
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