Experimenteller Fortschritt für zuverlässige Quantennetzwerke –
In den vergangenen Jahren haben Quantennetzwerke in der Forschung zunehmend an Bedeutung gewonnen. Sie könnten nicht nur die Sicherheit kritischer Infrastrukturen erhöhen, sondern auch neue Anwendungen ermöglichen, etwa die sichere Vernetzung von Quantencomputern. Die Realisierung solcher Netzwerke ist jedoch technologisch herausfordernd. So leidet die Quantenkommunikation bspw. während der Übertragung unter unvermeidlichen Photonenverlusten. Diese Verluste verhindern häufig die erfolgreiche Erzeugung verschränkter Quantenzustände zwischen entfernten Knoten. Ein vielversprechender Ansatz, diesem Problem zu begegnen, sind „heraldierte“ (angekündigte) Protokolle: Mithilfe geeigneter Messungen am Sender- oder Empfängerknoten lässt sich anzeigen, ob der gewünschte Quantenzustand tatsächlich erzeugt wurde. Fehlgeschlagene Übertragungen können so zuverlässig erkannt und verworfen werden. Vor diesem Hintergrund ist Mitte Dezember 2025 ein neues Paper mit Beteiligung des QR.N-Konsortiums erschienen.
In dem Artikel wird ein Experiment vorgestellt, das eine effiziente, angekündigte Erzeugung von Atom-Photon-Verschränkung demonstriert. Ziel ist es, die Fehlerrate in Quantennetzwerken zu reduzieren, ohne die effektive Kommunikationsrate unnötig zu verringern. Dazu erzeugen die Forschenden die Verschränkung zunächst lokal am sendenden Knoten. Kern des Experiments ist ein einzelnes Atom, das nacheinander zwei Photonen über eine kaskadierte Emission in zwei optische Faserresonatoren abstrahlt. Die Polarisation des ersten Photons ist dabei mit dem Spin des Atoms verschränkt. Der Nachweis des zweiten Photons zeigt zuverlässig an, dass die gewünschte Atom-Photon-Verschränkung erfolgreich erzeugt wurde. Durch diese Konditionierung auf erfolgreiche Ereignisse lässt sich die Effizienz der Verschränkungsübertragung in der Faser wesentlich steigern.
Während ein konventionelles angekündigtes Signal typischerweise erst am Empfängerknoten erzeugt wird, verlagert das in dem Paper beschriebene Verfahren diese Ankündigung dagegen an den Senderknoten, was mehrere entscheidende Vorteile bietet. Zum einen kann der Sender unmittelbar erkennen, ob die Erzeugung der Atom-Photon-Verschränkung erfolgreich war, und bei Bedarf sofort einen neuen Versuch starten. Dadurch lassen sich unnötige Wartezeiten und Kommunikationsaufwand im Netzwerk vermeiden. Zum anderen muss das Signal nicht über große Distanzen übertragen werden und unterliegt somit keiner verlustbedingten Dämpfung. Es kann daher mit einem hohen Signal-Rausch-Verhältnis detektiert werden. Darüber hinaus liefert das angekündigte Signal eine präzise Zeitinformation über den Moment der Verschränkungserzeugung. Wird diese Information an den Empfänger übermittelt, lässt sich die erwartete Ankunftszeit des verschränkten Photons genau vorhersagen. Auf diese Weise können zeitlich unkorrelierte Ereignisse, insbesondere Dunkelzählereignisse der Detektoren, effektiv herausgefiltert werden.
Insgesamt stellt dieses Verfahren einen bedeutenden Fortschritt für zuverlässige, rauschbegrenzte Langstrecken-Kommunikationsprotokolle dar und besitzt das Potenzial, die erreichbare Kommunikationsreichweite in zukünftigen Quantennetzwerken deutlich zu erhöhen.
Quellennachweis: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/5zk9-3rpv#physics_summar
