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aktuell | Forschung
Quantenrepeater für die Quantenkommunikation
über weite Distanzen
Zur Verwirklichung eines Quantenrepeaters sind Speicher, die
die Quanteninformation zwischenspeichern können, unverzichtbar
– hier sind das Gruppen von ultrakalten Atomen, die in magnetooptischen
Fallen in den Glaszellen gefangen sind.
Mindestens so intensiv wie an
Quantencomputern tüfteln Physiker
weltweit an den verbindenden
Quantennetzwerken. Im Teilgebiet
der Quantenkryptografie
gilt die Quantenkommunikation
schon seit Jahren als praxistauglich,
wie beispielsweise die erste
sichere Übertragung einer Banküberweisung
oder ein Einsatz bei
Genfer Wahlen zeigte (c’t 10/04,
S. 54 und c’t 23/07, S. 50). Doch
bei Distanzen deutlich über
100 Kilometer ist sie bislang aufgrund
der unvermeidlichen Signalabschwächung
nicht mehr
möglich.
Einen wichtigen Schritt hin
zur Langstrecken-Quantenkommunikation
haben nun Forscher
rund um Jian-Wei Pan von der
Universität Heidelberg, der University
of Science and Technology
of China, Hefei, sowie Jörg
Schmiedmayer von der TU Wien
absolviert: Ihnen ist es gelungen,
das Grundprinzip eines Quantenrepeaters
im Versuch zu demonstrieren
(Zheng-Sheng Yuan
et al, Nature, Bd. 454, S. 1098).
Dies hat zwar auch schon ein anderes
Team geschafft (Chin-Wen
Chou et al, Science, Bd. 316,
S. 1316 (2007)), allerdings ist erst
dieser neue Aufbau unempfindlich
gegenüber kleinen Längenänderungen
des Quantenkommunikationskanals,
mit denen in
der Praxis gerechnet werden
muss.
Quantenrepeater müssen völlig
anders funktionieren als die in
der klassischen Telekommunikation
verwendeten Repeater
zur regelmäßigen Signalverstärkung.
Würde man nämlich die
Quantenbits oder Qubits, die
kleinsten Einheiten der Quanteninformation,
zur Auffrischung
einfach kopieren, gingen sofort
die besonderen Vorteile der
Quantenkommunikation verloren,
die beispielsweise die absolut
abhörsichere Übertragung
eines geheimen Schlüssels ermöglichen.
Eine tragende Rolle
spielt hier, wie auch sonst bei Arbeiten
zu Quantennetzwerken
(c’t 15/07, S. 49), der Übergang
der Qubits von Photonen, den
Boten im Übertragungskanal
(„fliegende Qubits“), auf atomare
Quantenspeicher („ruhende Qubits“)
und umgekehrt.
Wie bei der Quantenkryptografie
geht es außerdem nicht
ohne die quantenmechanische
Verschränkung, die zwei quantenmechanische
Systeme eng
und auf höchst eigenartige
Weise miteinander verbindet:
Sie verhalten sich immer gleich,
ähnlich einem Würfelpaar, das
bei jedem Wurf jeweils dieselbe
Augenzahl zeigt – weshalb Albert
Einstein die Verschränkung
einmal als „spukhafte Fernwirkung“
bezeichnete.
Ausgearbeitet wurde ein
prinzipiell praktikables, da ressourcenschonendes
Quantenrepeater-Konzept
schon vor zehn
Jahren, das nach seinen Schöpfern
Briegel, Dür, Cirac und Zoller
BDCZ-Protokoll genannt wird.
Es sieht vor, die Übertragungsstrecke
in mehrere Teilabschnitte
mit Quantenspeichern dazwischen
aufzuteilen. Im ersten
Schritt werden nun Verschränkungen
über diese Segmente
hinweg aufgebaut: Erst wird
jedes der beiden ruhenden Qubits
an den Enden eines Segments
mit je einem auf dieser
Strecke fliegenden Qubit verschränkt.
Danach folgt eine gemeinsame
Bell-Zustandsmessung
an den beiden fliegenden
Qubits, das ist eine spezielle
quantenmechanische Messung.
Sie führt dazu, dass die bisher
voneinander unabhängigen ruhenden
Qubits nun miteinander
verschränkt sind, was die Physiker
einen Verschränkungsaustausch
nennen. Die fliegenden
Qubits wurden dabei als ruhende
Qubits zwischengespeichert
und können auch wieder abgerufen
werden.
Im nächsten Schritt werden
diese Segmente miteinander
verkoppelt, was ebenfalls über
Verschränkungsaustausch geschieht,
und auch die daraus
entstandenen längeren Teilstrecken
werden so verbunden und
so fort. Schließlich besteht über
die gesamte Strecke eine Verschränkungsverbindung,
sodass
das jeweils letzte Qubit beim
Empfänger die gleiche Quanteninformation
repräsentiert wie
das mit ihm verbundene erste
Qubit beim Sender.
Umgesetzt werden konnte
das BDCZ-Protokoll bislang noch
nicht, weil die Einbindung der
Quantenspeicher sehr schwierig
ist. Pan und seine Kollegen haben
nun den ersten Schritt auf
der Ebene der einzelnen Segmente
verwirklicht. Im Detail
verschränkten sie zwei Ensembles
ultrakalter Rubidiumatome
in magneto-optischen Fallen,
wobei sie die Bell-Zustandsmessung
an den fliegenden Qubits
in der Mitte eines 300 Meter langen
Glasfaserkabels vornahmen.
Für eine längere Teilstrecke
und um die nächsten Schritte
durchführen zu können, müssen
die Forscher allerdings noch einige
Verbesserungen vornehmen.
Die Lebensdauer der Qubits
in den Speichern muss deutlich
erhöht werden, ebenso Güte
und Erzeugungsrate der Verschränkungen.
(Dr. Veronika Winkler/anm)
Bild: Julia Gless/Universität Heidelberg
EU will eine neue IKT-Forschungsstrategie
Was sind die wichtigsten vor uns
liegenden Herausforderungen für
Forschung und Innovation in der
Informations- und Kommunikationstechnik
(IKT)? Wie und in
welchen Bereichen sollte Europa
eine Führungsposition anstreben?
Wie kann die Politik dazu
beitragen, dass Europa bei den
IKT-Innovationen führend wird?
Antworten hierauf erhofft sich die
europäische Kommission von
einer für jeden offenen Online-
Konsultation (http://ec.europa.eu/
yourvoice/ipm/forms/dispatch?
form=ICTRDI).
Die dabei von Industrie, IKT-
Fachleuten, Entscheidungsträgern
und der allgemeinen Öffentlichkeit
gewonnenen Anregungen
sollen in eine neue EU-
Strategie für Forschung und
Innovation in der IKT einfließen,
die insbesondere auch die kleinen
und mittleren Unternehmen
berücksichtigen soll.
„IKT ist die treibende Kraft für
Innovation und Entwicklung in
der Weltwirtschaft. Deshalb muss
Europa Investitionen in IKT-Forschung
und -Entwicklung und
die besten Köpfe und Ideen anziehen.
Wir stehen außerdem vor
Herausforderungen in der Energieversorgung,
der Gesundheit
und des Alterns, die wir nur
meistern können, wenn wir IKT-
Lösungen entwickeln“, begründet
Viviane Reding, EU-Kommissarin
für die Informationsgesellschaft
und Medien, ihre jüngste
Initiative. Bisher sei allerdings
der Anteil der IKT an Forschung
und Entwicklung in Europa unter
dem Durchschnitt der entwickelten
Länder. Und während die
Europäer 32 Prozent des globalen
IKT-Marktes repräsentierten,
liege der weltweite Marktanteil
europäischer Unternehmen nur
bei 22 Prozent.
Die Konsultation zur IKT-Forschung
läuft bis zum 7. November
2008. Die danach erarbeitete
Strategie will Reding im April
2009 veröffentlichen. (anm)
50 c’t 2008, Heft 20
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