Bidirektionale Quantenfrequenzkonversion ermöglicht die Übertragung von Photon-Atom-Verschränkung über eine 24 Kilometer lange Glasfaserverbindung –
Weitreichende Quantennetzwerke bieten ein enormes Potenzial für die Kommunikation und Verarbeitung von Quanteninformationen. Indem sie die Verteilung von Verschränkung ermöglichen, bilden sie die Grundlage für zahlreiche Anwendungen der Quanteninformation, etwa für effiziente Quantenkommunikation mit Quantenrepeatern, skalierbare Quantenberechnungen durch die Verknüpfung entfernter Quantenprozessoren zu größeren Einheiten oder Quantensensorik. Die Verschränkungsverteilung ist daher ein zentrales Ziel von Quantennetzwerken, da sie die Übertragung von Quanteninformation über große Distanzen ermöglicht. Zwar kann die Kommunikation über große Entfernungen über die bestehende Glasfaserinfrastruktur erfolgen, dafür sind jedoch Photonen im Telekommunikationsband erforderlich, da dort die geringsten Übertragungsverluste auftreten. Moderne Quantennetzwerkknoten arbeiten jedoch häufig nicht bei diesen Wellenlängen, sodass eine Quantenfrequenzkonversion erforderlich ist. Dabei wird die Wellenlänge von Photonen aus dem sichtbaren oder nahinfraroten Bereich in den Telekommunikationsbereich umgewandelt, ohne ihren Quantenzustand zu verändern. Eine unidirektionale Umwandlung reicht für Implementierungen aus, bei denen an einem zusätzlichen zentralen Knoten ein Verschränkungsaustausch stattfindet. Für universell einsetzbare Quantennetzwerke ist hingegen eine bidirektionale Lösung erforderlich. Eine hochpräzise und effiziente bidirektionale Quantenfrequenzkonversion für die Quantenkommunikation über große Entfernungen bleibt bislang jedoch technologisch herausfordernd. Forschende aus dem QR.N-Verbund an den Standorten Garching und München haben nun eine neue Methode entwickelt, um diese Einschränkung zu überwinden. Die Ergebnisse ihres Experiments wurden Ende August 2026 in Physical Review Letters veröffentlicht.
Im Paper beschreiben die Forschenden eine neue Methode, bei der sie zwei maßgeschneiderte, rauscharme Frequenzkonverter einsetzen, um Verschränkung zwischen einem einzelnen Atom und einem Photon im nahen sichtbaren Bereich über eine 24 Kilometer lange kommerziell genutzte Glasfaser im städtischen Raum zwischen München und Garching zu übertragen. Einzelphotonen bieten für Quantennetzwerke zahlreiche Vorteile, darunter lange Kohärenzzeiten sowie die Möglichkeit, Quantenzustände gezielt zu übertragen und zu verarbeiten, und sind daher eine vielversprechende Plattform für Quantenknoten. Im Experiment nutzten die Forschenden eine bidirektionale Frequenzkonversion, um das atomare Qubit eines Rubidium-87-Atoms, das bei einer Wellenlänge von 780 nm emittiert, in den Telekommunikationsbereich bei 1514 nm anzubinden und anschließend wieder auf 780 nm zurückzukonvertieren. Dies führte zu einer Photonenübertragungseffizienz von 1,7 %, wobei die Verschränkungsgüte zwischen Atom und Photon um weniger als 1 % beeinträchtigt wurde. Durch die sorgfältige Auswahl der Telekommunikationswellenlänge, den Einsatz von Schmalbandfiltern und die gründliche Optimierung des Konversionsprozesses konnten die Forschenden ein hohes Signal-Rausch-Verhältnis gewährleisten. Dadurch erreichten sie bei beiden Wellenlängen eine Verschränkungsgüte von F > 85 % zwischen Atom und Photon. Gegenüber dem erzeugten verschränkten Zustand bei einer Übertragungsdistanz von 0 Kilometern entspricht dies nur einer geringen Abnahme.
Die Ergebnisse des Experiments stellen einen wichtigen Schritt auf dem Weg zur Integration atomarer Quantenknoten in bestehende Glasfasernetzwerke sowie zur Nutzung entsprechender Systeme in Protokollen der Quanteninformationsverarbeitung und Freiraumanwendungen für die Quantenkommunikation über große Entfernungen dar. Perspektivisch könnten sie damit den Weg für neuartige Anwendungen der Quanteninformationsverarbeitung ebnen.
Quellennachweis: https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/94hz-xtht
