Das dem Alltagsverständnis zuwiderlaufende Phänomen der Quantenverschränkung verheißt neue Möglichkeiten in der Informationsübertragung. Ein Problem dabei ist aber die große Anfälligkeit von Quantennetzwerken gegenüber äußeren Störungen. Schon eine geringe Interaktion mit der Umgebung kann zur Zerstörung der Verschränkung führen. Wiener Physikern ist es nun gelungen, die Quantenverschränkungen robuster zu machen.

Die quantenphysikalische Verschränkung macht es möglich, dass zwei Teilchen – etwa Photonen – wie durch Geisterhand miteinander verbunden bleiben. Die Messung an einem legt unmittelbar den Zustand des anderen fest, auch wenn sie beliebig weit voneinander entfernt sind. Misst man etwa an einem verschränkten Photon die Richtung der Lichtschwingung (Polarisation), schwingt augenblicklich auch das Partnerteilchen in der selben Richtung.

Schwierige Abschirmung

Diese erstaunliche Eigenschaft lässt auf vielfältige technische Anwendungen hoffen. Relativ weit gediehen sind Überlegungen und erste Lösungen zu Quantennetzwerken, wo Informationen zwischen Kommunikationspartnern in Laborexperimenten oder auch bereits zwischen Satelliten und Bodenstationen mittels verschränkter Lichtteilchen ausgetauscht werden. Ansätze zur Informationsübertragung dieser Basis könnten zukünftig auch in eine Art Quanten-Internet münden – woran etwa Wissenschafter vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) Wien der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) arbeiten.

In der Laborumgebung kann man die empfindlichen Quantensysteme relativ einfach gegenüber Störungen abschirmen, außerhalb davon tut man sich bei der Übertragung allerdings mitunter recht schwer, dort nimmt das von den Forschern gefürchtete Rauschen deutlich zu. Vor allem in Anwesenheit vieler anderer Photonen – bei Tageslicht – kann die Verschränkung rasch zerstört werden.

Hochdimensionale Verschränkung

Die Wiener Physiker vom IQOQI um Marcus Huber und den Erstautor der im Fachjournal "Physical Review X" erschienenen Arbeit, Sebastian Ecker, haben nun die Verschränkung komplexer gestaltet. Während bisher vor allem die Polarisation und der Zeitpunkt der Erzeugung der Photonen als Informationsträger dienten, konnte das Team nun mit dem Erzeugungsort eine weitere Ebene in das Quantensystem einbauen.

Mit dieser höherdimensionalen Verschränkung lässt sich die Anfälligkeit gegenüber Störungen deutlich reduzieren, wie die Wissenschafter nachwiesen. Unter diesen Voraussetzungen könnten die besonderen Eigenschaften der vielfältig verschränkten Photonen auch bei starkem Hintergrundrauschen noch eindeutig von der Umgebung unterschieden werden, so Huber.

Damit könne nun die Quantenübertragung auch von der Nacht stärker in Richtung Tag verlegt werden. "Quantenverschränkung ist das Rückgrat der Quantenkommunikation", so Ecker. "Ein sicheres Quanteninternet kann es nur geben, wenn die Verschränkung weitgehend ungestört übertragen wird. Mit unserem Experiment konnten wir zeigen, wie sich die Verschränkung robuster gestalten lässt." (red, APA, 30.11.2019)