Scott me up, Beamy: Quantenkommunikation über weite Strecken
Geheime Botschaften mit absoluter Sicherheit über große Distanzen zu übermitteln, das ist der Traum der Quantenkommunikation. Ein neues Modell soll die Störquellen ausschalten
"Wenn die Quantenphysik Recht hat, ist die Welt verrückt," soll Albert Einstein gesagt haben und es sieht sehr danach aus, dass die Welt total verrückt ist. Erfolgreiche Quantenkommunikation ist die Voraussetzung von Quantenkryptografie, der absolut sicheren Verschlüsselung von Botschaften durch quantenmechanische Verschränkung und der Teleportation, dem legendären Beamen aus der Serie Star Trek.
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| Verschränkungs-Erzeugung: ganz links die atomaren Ensembles, die über Laser-Lichtpulse ihre Information zuerst an die eckigen Filter weitergeben. Durch die hellgrauen, runden optischen Kanäle (z.B. aus Glasfaser) gelangen sie zu dem rechteckigen Strahlteiler und am Schluss zu den Photonen-Detektoren, wo der Erfolg oder Misserfolg der Transmission fest gestellt wird. (Bild: Universität Innsbruck) |
Bisher ist es sehr schwierig die verschiedenen Störfaktoren zu kontrollieren, die eine erfolgreiche derartige Informationsübertragung behindern. Das unvermeidliche Rauschen in den Quantenkommunikationskanälen und andere Fehlerquellen führen dazu, dass die Probleme mit der Entfernung stark zunehmen.
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Ein internationales Physiker-Team stellt in der aktuellen Ausgabe des Wissenschaftsmagazins Nature ein neues Modell vor: Juan Ignacio Cirac, Lu-Ming Duan und Peter Zoller von der Universität Innsbruck sowie Mikhail Lukin von der Harvard University in Cambridge, Massachussetts konnten mit atomaren Ensembles und linearer Optik die Quantenkommunikation über eine lange Strecke entscheidend verbessern. Der Transfer von Quantenzuständen wird mit zunehmender Distanz immer unzuverlässiger. Das Mittel der Wahl zur Quantenkommunikation sind Photonenkanäle, je weiter aber die Quanten voneinander entfernt sind, umso mehr nehmen Verluste und Dekohärenz (Wechselwirkung mit der Umwelt, die den quantenmechanischen Zustand destabilisiert) zu. Im Transmissionskanal entsteht ein unvermeidliches Rauschen durch diese Phänomene und durch die Absorption, die in jedem Material unweigerlich einsetzt. Photonen werden von den Atomen des Kanals, der meist aus Glasfaser besteht, aufgenommen und auch aus dem Transmissionskanal heraus gestreut. Durch den zunehmenden Zerfall der Verschränkung im Kanal ist eine entsprechend exponentiell große Anzahl von verschränkten Teil-Zuständen nötig, um den einen hoch verschränkten Zustand aufrecht zu erhalten. Das bedeutet einen mit zunehmender Strecke größer bis unmöglich werdenden Aufwand.
Cirac und seine Kollegen beschreiben jetzt eine Versuchsanordnung, die Laser-Manipulation von atomaren Ensembles, Strahlteiler und Photonen-Detektoren mittlerer Wirksamkeit beinhaltet und mit den Mitteln derzeitiger Technologie kompatibel sind. Sie sind überzeugt, damit der stabilen Quanten-Kommunikation einen entscheidenden Schritt näher gekommen zu sein:
Wir präsentieren ein Schema zur Implementierung von Quanten-Repeatern [unübliche deutsche Übersetzung: Verstärker] und Quantenkommunikation über lange Strecken. Die vorgeschlagene Technik erlaubt die Schaffung und Verbindung von verschränkten Zuständen und ihren Einsatz in Quanten-Teleportation, Kryptografie und bei Tests von Bellschen Ungleichungen. Alle bei diesem Schema verwendeten Elemente sind in der gängigen experimentellen Technologie in Verwendung - und alle haben die wichtige Eigenschaft der immanenten Verschränkungs-Reinigung, die sie dem existierenden Rauschen gegenüber wiederstandsfähig macht. (...) Die Verschränkungs-Verbindung wird durch einfache lineare optische Verfahren erreicht und ist in sich stabil gegen auftauchende Fehlerquellen. Es wurden kürzlich für Reinigung von Verschränkung und Quanten-Computer schon verschiedene Schemata mit linearer Optik ins Gespräch gebracht... Unser Schema verhindert das unvermeidliche Rauschen und die anfallenden Fehler, es stellt eine durchführbare Methode der zuverlässigen Quantenkommunikation über lange Distanzen dar. Der erforderliche Overhead in der Kommunikationszeit wächst mit der Distanz nur polynomiell.
In jüngster Vergangenheit hatte Anton Zeilinger von der Universität Wien bereits ein Verfahren zur Reinigung der Verschränkung entwickelt, um die Quantenkommunikation über mehrere Stationen zu verbessern. Die Methode erlaubt einen quantenmechanischen Vergleich von Paaren verschränkter Teilchen mittels eines "Quantum Kontrolled NOT" (CNOT). Zeilinger und seinem Team war es bereits 1997 gelungen, die erste Quanten-Teleportation über immerhin etwa einen Meter Entfernung durchzuführen (Vgl. "Es stellt sich letztlich heraus, dass Information ein wesentlicher Grundbaustein der Welt ist"). Erst im September hatten dänische Physiker ihre experimentelle Verschränkung von zwei makroskopischen Objekten präsentiert, sie erzeugten einen nicht maximal verschränkten Zustand, der kein maximaler "Schrödingers Katze"-Zustand ist aber für viele potenzielle Anwendungen wie die Teleportation ausreicht. (Vgl. Beam me up)
Quantenverschränkung wurde bisher über Entfernungen von bis zu 20 Kilometern demonstriert, die CNOT der Wiener stellten Distanzen von 50 bis 100 Kilometern in Aussicht. Wie viel die neue Kombination aus herkömmlichen Verfahren der internationalen Forschergruppe um Cirac bringen wird, muss sich erst experimentell erweisen, vorerst ist das Modell noch Theorie. Auch für die Teleportation - die bisher nur im Labor gelang - sind gute und ausreichend lange Kommunikationskanäle für verschränkte Teilchen die Voraussetzung ihrer zukünftigen praktischer Nutzung.
- Informationsübertagung (29.11.2001 14:23)
- Erkannt! (29.11.2001 14:19)
- Ein paar Anmerungen... (29.11.2001 10:50)
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