Fortschritt beim "Quanten-Internet"

Mit Hilfe eines speziellen Versuchsaufbaus ist es einem Forschungsteam der Technischen Universität (TU) Wien in dieser Woche gelungen, Licht in Glasfasern einzubremsen und für einen kurzen Moment sogar quasi zum Stillstand zu bringen. Das könnte einen wichtigen Schritt in Richtung Übertragung von Quanten-Daten im sogenannten Quanten-Internet darstellen, berichten die Wissenschafter im Fachjournal "Optica".

Quantenkommunikation basiert auf dem Phänomen, dass sich eine Veränderung an einem Teilchen auch an einem ihm quantenphysikalisch verbundenem anderen Teilchen gleichermaßen vollzieht. Diese von Einstein als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnete Verschränkung erlaubt es theoretisch über jegliche Distanz unverzüglich Information von einem auf ein anderes Teilchen zu übertragen.

Wichtiger Schritt, aber Weg ist noch lang
Damit sich aber tatsächlich einmal Quanten-Informationseinheiten - sogenannte Quantenbits - statt herkömmlicher Informations-Bits durch die Leitungen bewegen, müssen noch viele Fragen gelöst werden. Verlockend ist jedenfalls der Gedanke, dafür auf das bestehende Glasfasernetz zurückzugreifen. Hier sind die Forscher vom Atominstitut der TU Wien nun einen Schritt weiter gekommen: Sie können Licht in speziellen Glasfasern verlangsamen und die Energie von Lichtteilchen (Photonen) kurzfristig in einem Ensemble von Umgebungsatomen speichern.

Das ist wichtig, da Glasfasern Licht zwar gut leiten, es dabei aber zu großen Verlusten kommt. Statistisch kommt nur jedes zweite durch eine Glasfaser gesendete Photon in einer Entfernung von 20 Kilometern an, alle weiteren 20 Kilometer reduziert sich die Wahrscheinlichkeit jeweils wieder um die Hälfte, erklärte Christoph Clausen vom Atominstitut im Gespräch mit der APA.

In der herkömmlichen Informationstechnologie werden diese Verluste mit Verstärkern in den Netzwerken (Repeatern) ausgeglichen. Zudem steckt die Information in Lichtpulsen mit sehr vielen Lichtteilchen. "Wenn man Quanteninformation verschickt, hat man nur ein einzelnes Teilchen", so der Forscher. Die Chance, dass dieses etwa eine 500 Kilometer-Distanz schafft, sind verschwindend gering. Die Lösung wären Quanten-Repeater, also Unterteilungen der Gesamtstrecke in kleine Abschnitte, zwischen denen jeweils Verschränkung aufgebaut wird.

Quantenspeicher fehlen noch
Um diese unterschiedlichen Teilstrecken untereinander zu synchronisieren braucht es aber Quantenspeicher, also eine Methode, mit der die Quanteninformation zwischendurch vom Photon auf ein anderes Medium übertragen wird. Dort verweilt die Information dann und kann im Bedarfsfall abgerufen werden.

Christoph Clausen, Arno Rauschenbeutel und ihre Kollegen koppelten bei ihrem Ansatz Cäsium-Atome an eine ultradünne Glasfaser. Auf seinem Weg durch die Faser gibt ein Photon seine Energie sukzessive an diese Atome ab. Je stärker sich die Energie verteilt, "desto langsamer bewegt sich das zum Teil aus Licht, zum Teil aus angeregten Atomen bestehende Gesamtpaket", wie Clausen erklärte. Der Prozess wird anhand eines zusätzlichen Lasers in der Glasfaser gesteuert. Dieser ermöglicht es auch, die verteilt geparkte Energie erneut in ein Lichtteilchen umzuwandeln, das dann weiter wandern kann. So ließ sich das Photon für bis dato unerreicht lange zwei Mikrosekunden in der Faser parken.

Man habe zwar bisher lediglich "einen Lichtpuls und keine Quanteninformation gespeichert", wie der Forscher einschränkte. Er sei aber zuversichtlich, dass auch das bald möglich wird.