02 Dez. Quantenpunkte für die praktische Umsetzung des Quanteninternets
Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Universität Paderborn berichtet über einen entscheidenden Durchbruch auf dem Weg zum Quanteninternet: Den Forschenden ist es gelungen, den Polarisationszustand eines einzelnen Photons, das von einem Quantenpunkt ausgesendet wurde, auf ein ausgesendetes Photon eines anderen – räumlich getrennten – Quantenpunkts zu teleportieren. Das bedeutet, dass die Eigenschaft eines Photons auf ein anderes übertragen werden konnte. Dieser Schritt ist nach Angabe der Forschenden besonders wichtig für künftige Quantenkommunikationsnetzwerke. Bei ihren Experimenten haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter anderem eine 270 m lange Freiraumverbindung genutzt.
Quantenrelais bilden die Grundlage des Quanteninternets
Werden verschränkte Systeme aus mehreren Quantenteilchen anstatt eines einzelnen Zustands, beispielsweise eines einzelnen Photons, genutzt, entsteht ein Gesamtsystem aus mehreren Zuständen. Solche Systeme finden Einsatz in der Kommunikation, der Datensicherheit oder beim Quantencomputing. Bei der Verschränkung werden bestimmte Eigenschaften der Photonen miteinander gekoppelt. Ein Zustand entspricht dabei einer Information, die weiterverarbeitet wird. „Bisher stammten diese Photonen aber aus ein und derselben Quelle, also demselben Emitter“, erklärt Professor Klaus Jöns, Leiter der Arbeitsgruppe ‚Hybrid Photonics Quantum Devices‘ und Vorstandsmitglied des Instituts für Photonische Quantensysteme (PhoQS) der Universität Paderborn. „Zwar gab es in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte, aber die Nutzung verschiedener Quantenemitter zur Realisierung eines Quantenrelais zwischen voneinander entfernten Parteien war bis dato unerreichbar.“
Über einen Zeitraum von rund drei Jahren hat sich das Team um Jöns nach eigenen Angaben intensiv mit den optischen Messungen, der Datenauswertung und der Analyse beschäftigt. Die Paderborner Gruppe arbeitete dabei mit dem Team von Professor Rinaldo Trotta von der Sapienza Universität Rom, Italien, zusammen. Jöns erklärt: „Das Experiment zeigt eindrucksvoll, dass Quantenlichtquellen auf Basis von Halbleiterquantenpunkten eine Schlüsseltechnologie für künftige Quantenkommunikationsnetzwerke darstellen können. Die erfolgreiche Quantenteleportation zwischen zwei verschiedenen Quantenemittern ist ein wesentlicher Schritt in Richtung skalierbarer Quantenrelais und damit einer praktischen Umsetzung des Quanteninternets.“
Europäische Projektkooperation
Bereits vor über zehn Jahren entwickelten Jöns und Trotta nach eigenen Angaben eine Roadmap, wie Quantenpunkte als Quellen verschränkter Photonenpaare für Quantenkommunikation und Teleportationsprotokolle eingesetzt werden können. „Dieses Ergebnis zeigt, dass unsere langfristige strategische Planung aufgegangen ist“, sagt Jöns. „Die Kombination aus exzellenter Materialwissenschaft, Nanofabrikation und optischer Quantentechnologie war der Schlüssel zum Erfolg.“
Die Quantenpunkte wurden an der Johannes Kepler Universität Linz entwickelt. Die Nanofabrikation der Resonatoren erfolgte durch Partnerinnen und Partner an der Universität Würzburg. Forschende der Sapienza Universität Rom haben die Quantenteleportationsexperimente durchgeführt, einschließlich einer 270 m langen Freiraumverbindung zwischen zwei Universitätsgebäuden. GPS-gestützte Synchronisation, ultraschnelle Einzelphotonendetektoren und aktive Stabilisierungssysteme kompensierten dabei atmosphärische Turbulenzen. Die erreichte Teleportationsfidelität von 82 ± 1 %, also die Güte, in der die Quantenzustände bei der Teleportation erhalten bleiben, übertrifft den Ergebnissen zufolge den klassischen Grenzwert um mehr als zehn Standardabweichungen.
Ausblick: Erstes Quantenrelais mit zwei deterministischen Quellen
Mit diesem Erfolg wurde laut den Forschungspartnern der Weg für die nächste große Etappe bereitet: die Demonstration eines ‚Entanglement Swappings‘ zwischen zwei Quantenpunkten. Dabei soll es sich um das erste Quantenrelais mit zwei gezielt erzeugenden Quellen verschränkter Photonenpaare handeln.
Parallele Entwicklungen
Unabhängig und nahezu zeitgleich hat ein Forschungsteam aus Stuttgart und Saarbrücken unter Einsatz von Frequenzkonversion ein ähnliches Ergebnis erzielt, sagen die Forschenden. Beide Arbeiten markieren gemeinsam einen wichtigen Meilenstein für die europäische Quantenforschung.
Originalveröffentlichung:
[Laneve, A., Ronco, G., Beccaceci, M. et al.: Quantum teleportation with dissimilar quantum dots over a hybrid quantum network; Nat Commun 16, 10028, 2025, https://doi.org/10.1038/s41467-025-65911-9]
Quelle: www.uni-paderborn.de
Bild: Besim Mazhiqi / Universität Paderborn