Quantum-Internet rückt näher, da Forscher Informationen auf Lichtbasis teleportieren.

21. Juli 2025

von Ingrid Fadelli, Phys.org

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Quantenteleportation ist ein faszinierender Prozess, der darin besteht, den Quantenzustand eines Teilchens an einen anderen entfernten Ort zu übertragen, ohne das Partikel selbst zu bewegen oder zu detektieren. Dieser Prozess könnte für die Verwirklichung eines sogenannten "Quanteninternets" zentral sein, einer Version des Internets, die die sichere und instantane Übertragung von Quanteninformationen zwischen Geräten innerhalb des gleichen Netzwerks ermöglicht.

Quantenteleportation ist keineswegs eine neue Idee, da sie in der Vergangenheit bereits mehrmals experimentell realisiert wurde. Dennoch haben die meisten vorherigen Demonstrationen die Frequenzkonvertierung verwendet, anstatt im Telekomband nativ zu arbeiten.

Forscher der Nanjing University haben kürzlich die Teleportation eines Telekommunikationswellenlängen-Photonen-Qubits (d. h. ein in Licht codiertes Quantenbit bei den gleichen Wellenlängen, die die aktuellen Kommunikationen unterstützen) zu einem Telekommunikations-Quantengedächtnis demonstriert. Ihre Arbeit, veröffentlicht in Physical Review Letters, könnte neue Möglichkeiten für die Verwirklichung skalierbarer Quantennetzwerke und damit potenziell für ein Quanteninternet eröffnen.

"Quantenteleportation ist immer ein faszinierendes Protokoll in der Quantenkommunikation wegen ihrer Fähigkeit, Quantenzustände zu übertragen, ohne jemals etwas preiszugeben," sagte Xiao-Song Ma, leitender Autor der Studie, gegenüber Phys.org. "Um die Entfernung für die Zustandsübertragung weiter zu verlängern, ist die Integration von Quantengedächtnis in ein Quantenteleportationssystem von entscheidender Bedeutung."

Das Hauptziel der jüngsten Studie von Ma und seinen Kollegen war es, ein Telekommunikationsfestkörper-Quantengedächtnis erfolgreich in ein Quantenteleportationssystem zu integrieren, um die gespeicherten Quanteninformationen zu ermöglichen. Die Hauptaufgabe dieses Gedächtnisses wäre es, entkoppelte Teilchen über ein Quantennetzwerk zu verbreiten und zu speichern (d. h. Entanglement-Verteilung).

Quantennetzwerke verwenden Quantenrepeater, Geräte, die die Entfernungen, über die Informationen übertragen werden, in kürzere und handhabbarere Abschnitte aufteilen können, die als elementare Verbindungen bekannt sind. Wenn sie am Ende dieser Abschnitte platziert werden, könnten Quantengedächtnisse Quanteninformationen für die Zeit speichern, die zur Herstellung von Entanglement über gesamte Segmenten von Netzwerken erforderlich ist, was wiederum ihre Übertragung über längere Strecken ermöglichen könnte.

"Wir haben fünf Systeme eingesetzt, um das Experiment durchzuführen," erklärte Ma. "Dazu gehören eine Eingangszustandsvorbereitung; eine EPR-Quelle zur Erzeugung von verschränkten Photonenpaaren aus einem integrierten photonischen Chip, eine Bell-Zustandsmessung und ein Quantengedächtnis auf der Basis von Erbium-Ionen-Ensembles. Wir haben auch ein Frequenzverteilungs- und Feineinstellungsmodul auf der Basis eines F-P-hohlraums und der PDH-Technik eingesetzt."

Diese jüngsten Arbeiten von Ma und seinen Kollegen zeigen, dass Quanteninformationen mithilfe von Geräten und optischen Wellenlängen, die mit denen vereinbar sind, die derzeit in der Kommunikation eingesetzt werden, über ein Netzwerk übertragen werden können. Die Demonstration von Quantenteleportation durch das Team könnte zur Weiterentwicklung von Quantennetzwerken beitragen und potenziell zur zukünftigen Verwirklichung eines zuverlässigen Quanteninternets beitragen.

"Unsere Studie hat erstmals die Quantenteleportation von Telekommunikationsphotonen zu einem Festkörper-Quantengedächtnis auf der Basis von Erbium-Ionen demonstriert," fügte Ma hinzu. "Unser gesamtes System verwendet Komponenten, die perfekt mit vorhandenen Glasfasernetzen kompatibel sind. Diese telekommunikationskompatible Plattform zur Erzeugung, Speicherung und Verarbeitung von Quantenzuständen des Lichts etabliert einen äußerst vielversprechenden Ansatz zu groß angelegten Quantennetzwerken."

Als Teil ihrer nächsten Studien planen die Forscher, die Leistung des erbiumionenbasierten Festkörpergedächtnisses, das in ihren Experimenten eingesetzt wird, zu verbessern. Genauer gesagt möchten sie die Speicherzeiten verlängern und die Effizienz verbessern, mit der es Quanteninformationen speichert.

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Weitere Informationen: Yu-Yang An et al, Quantenteleportation von Telekommunikationsphotonen zu Erbium-Ionen-Ensembles, Physical Review Letters (2025). DOI: 10.1103/3wh8-2gh1.

Journal-Informationen: Physical Review Letters

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