Ein internationales Forscherteam, darunter Wissenschaftler der Universität Paderborn, hat einen bedeutenden Meilenstein auf dem Weg zum Quanteninternet erreicht. Erstmals gelang es ihnen, den Polarisationszustand eines einzelnen Photons von einem Quantenpunkt zu einem anderen, räumlich getrennten Punkt zu teleportieren. Auf gut Deutsch: Sie ließen die Eigenschaften eines Photons per Quantenteleportation auf ein anderes überspringen – klingt nach Star Trek, ist aber nur Physik, die mal wieder angeben will.
Das Experiment nutzte eine 270 Meter lange Freistreckenverbindung, um die Systeme zu verbinden, und die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht. Doktoranden und Postdocs in Paderborn verbrachten etwa zehn Jahre mit optischen Messungen, Datenanalyse und Auswertung, in enger Zusammenarbeit mit Professor Rinaldo Trottas Team an der Sapienza-Universität Rom.
„Das Experiment zeigt eindrucksvoll, dass Quantenlichtquellen auf Basis von Halbleiter-Quantenpunkten eine Schlüsseltechnologie für zukünftige Quantenkommunikationsnetze sein könnten“, erklärte Professor Klaus Jöns, Leiter der Forschungsgruppe „Hybride Photonik-Quantengeräte“ in Paderborn. „Die erfolgreiche Quantenteleportation zwischen zwei unabhängigen Quantenemittern ist ein entscheidender Schritt hin zu skalierbaren Quantenrelais und damit zur praktischen Umsetzung eines Quanteninternets.“
Der Durchbruch beruhte auf Beiträgen mehrerer europäischer Forschungszentren. Quantenpunkte wurden an der Johannes-Kepler-Universität Linz hergestellt, die Resonator-Nanofabrikation erfolgte an der Universität Würzburg, und die Teleportationsexperimente fanden an der Sapienza-Universität Rom statt, wo Wissenschaftler zwei Gebäude mit jener 270-Meter-Freistreckenverbindung verbanden. Das System nutzte GPS-gestützte Synchronisation, ultraschnelle Einzelphotonendetektoren und Stabilisierungsmethoden, um atmosphärischen Turbulenzen entgegenzuwirken. Die erreichte Teleportationstreue betrug bis zu 82 ± 1 % und übertraf die klassische Grenze um mehr als 10 Standardabweichungen – das ist die wissenschaftliche Art zu sagen: „Wir sind uns ziemlich sicher, dass das funktioniert hat.“
Diese Errungenschaft öffnet die Tür zum „Verschränkungstausch“ zwischen zwei Quantenpunkten, was das erste Quantenrelais mit zwei deterministischen Quellen verschränkter Photonenpaare schaffen würde. Deterministische Quellen können zuverlässig einzelne Photonen fast auf Abruf erzeugen, aber ihre Entwicklung war eine große Herausforderung – denn natürlich ist in der Quantenmechanik nie etwas einfach.
Zufälligerweise berichtete ein anderes Forscherteam aus Stuttgart und Saarbrücken fast zeitgleich über eine ähnliche Errungenschaft mittels Frequenzkonversion. Zusammen markieren diese Ergebnisse einen wichtigen Meilenstein für die Quantenforschung in Europa und rücken die Vision eines funktionsfähigen Quanteninternets näher an die Realität – vorausgesetzt, die Realität verheddert sich nicht zu sehr mit sich selbst.