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Die Quantenphysik wird mit ihren kontra-intuitiven Besonderheiten unsere Informationstechnologien revolutionieren. Dabei ist Quantenkommunikation einfach ausgedrückt die Verteilung von Quantenbits (Qubits) zwischen zwei oder mehreren Parteien mit dem Ziel, eine wirklich sichere, nicht zu knackende Verbindung herzustellen. Dies geschieht in der Regel mit einzelnen Photonen, die über Glasfaser übertragen werden. Jedoch sind Glasfasern verlustbehaftet, die Signalst?rke nimmt mit wachsender ?bertragungsdistanz exponentiell ab.

In der klassischen Kommunikationstechnik werden nach jeweils wenigen Dutzend Kilometern sogenannte Repeater installiert, um das abklingende Signal zu verst?rken und so über gr??ere Entfernungen übertragen zu k?nnen. In der Quantenphysik ist die Verst?rkung - oder vielmehr das Klonen des Quantenzustands eines einzelnen Photons –nicht m?glich. Deshalb müssen andere Strategien zur Erh?hung der ?bertragungsreichweite gefunden werden. Eine L?sung für dieses Problem bietet nun das Konzept ?Quanten-Repeater". Es beruht ebenfalls darauf, dass die Kommunikationsverbindung in kleinere Segmente unterteilt wird. Diese enthalten jeweils ?einen Quantenspeicher, in dem die Qubits ?aufbewahrt" und zu einem sp?teren Zeitpunkt wieder ausgelesen werden k?nnen. Solche glasfaserbasierten Quanten-Repeater würden die ?bertragungsreichweite tats?chlich deutlich erh?hen, globale Reichweiten in dieser Art zu realisieren erscheint jedoch nicht realistisch.

Wie l?sst sich diese Limitierung aufheben? Einen Weg zeigt eine neue Arbeit unter Leitung von Forschenden der Humboldt-Universit?t zu Berlin in Zusammenarbeit mit dem Einstein Center Digital Future (ECDF), der University of Strathclyde, dem Institut für optische Sensorsysteme des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und dem NASA Jet Propulsion Laboratory. Die Idee besteht darin, alle Komponenten einer Quanten-Repeater-Verbindung, in Satelliten in der Erdumlaufbahn zu positionieren. Damit k?nnte eine tausendmal schnellere Signalübertragung des Quantenschlüssels erzielt werden als mit heute bestehenden Verfahren. Eine derartige globale Vernetzung würde nicht nur technologische Anwendungsbereiche wie sicheren Datenaustausch und die Verbindung geografisch weit voneinander entfernter Quantencomputer erm?glichen, sondern würde auch fundamentale Tests der Quantenmechanik über solche Distanzen erm?glichen.

Dr. Mustafa Gündo?an, der als Marie Curie Forschungsstipendiat in dem von Dr. Markus Krutzik geleiteten Joint Laboratory Integrated Quantum Sensors (IQS) für die Arbeiten im Bereich Quantenspeicher verantwortlich ist, sagt: ?Wir bauen gegenw?rtig mehrere Experimente zur Erforschung kompakter und robuster Quantenspeicher auf, die auf verschiedenen physikalischen Systemen wie ultrakalten oder warmen atomaren Gasen basieren. Unser Ziel ist es, atombasierte Technologien für den zukünftigen Einsatz von Quantenspeichern im Weltraum zu entwickeln.“

Das Projekt wird durch die EU, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), und das INNOspace Masters Programm gef?rdert.

Publikation

M. Gündo?an, J. Sidhu, V. Henderson, L. Mazzarella, J. Wolters, D.K.L. Oi und M. Krutzik, Proposal for space-borne quantum memories for global quantum networking, npj Quantum Information 7, 128 (2021)

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Dr. Mustafa Gündo?an
Humboldt-Universit?t zu Berlin
Institut für Physik, Joint Lab Integrated Quantum Sensors
Tel.: +49 (0)30 2093-4907
mustafa.guendogan@physik.hu-berlin.de

Dr. Markus Krutzik
Humboldt-Universit?t zu Berlin
Institut für Physik, Joint Lab Integrated Quantum Sensors
Tel.: +49 (0)30 2093-4814
markus.krutzik@physik.hu-berlin.de