Wiener Forscher

Physikern gelingt rauschfreie Quantenkommunikation

11.02.2021 09:50

Die Quantenkommunikation soll in Zukunft abhörsichere Informationsübertragung ermöglichen. Weil dabei aber mit fragilen Zuständen von Quantensystemen gearbeitet wird, kann sie leicht durch Umwelteinflüsse gestört werden. Jetzt haben Wiener Physiker in Experimenten gezeigt, dass sich dieses Rauschen verblüffend einfach umgehen lässt. Ihre Ergebnisse haben die Forscher im Fachjournal „Physical Review Research“ veröffentlicht. Die Erkenntnis daraus: Wenn man nicht weiß, welchen Weg ein Quantenteilchen geht, sich also seine Pfade überlagern, wird das Rauschen in der Kommunikation unterdrückt.

In Quantencomputern, die viel schnellere Berechnungen erlauben, und bei der Quantenkommunikation, werden Phänomene wie die Quantenverschränkung genutzt. Dabei bleiben zwei oder mehrere Quantensysteme auf scheinbar paradoxe Weise auch über große Distanzen miteinander verbunden. Um diese Technik nicht nur im Labor anzuwenden, sondern auch alltagstauglich zu machen, muss sie vor Umwelteinflüssen bewahrt werden, die Fehler verursachen - die Physiker nennen das „Rauschen“. Die Fehlerkorrektur erfordert eine Menge an Ressourcen, Forscher tüfteln deswegen an Methoden, die wenig Aufwand verursachen.

Teilchen können sich zeitlich überholen
Einen Vorschlag dafür haben vor einiger Zeit Forscher aus Hongkong gemacht und dabei wieder einmal tief in die Trickkiste der Phänomene der Quantenwelt gegriffen. „Teilchen können in der Quantenwelt nicht nur gleichzeitig an verschiedenen Orten sein, oder gleichzeitig zwei Zustände einnehmen - es können auch zeitliche Abfolgen überlagert sein, also etwa A vor B und B vor A“, erklärte Philip Walther vom Vienna Center for Quantum Science and Technology (VCQ) an der Universität Wien gegenüber der APA. Die Idee der Hongkonger Physiker war nun, diese zeitliche Überlagerung zur Rauschunterdrückung zu nutzen.

Bereits 2017 gelang dem österreichischen Physiker Anton Zeilinger ein Quantentelefonat mit China.

(Bild: ÖAW)

Gleichzeitig an zwei Orten
Würde etwa ein Teilchen auf seinem herkömmlichen Weg zunächst Rauschen A passieren und später Rauschen B, müsste man seinen Weg etwa mit einer Achterschlinge so gestalten, dass man nicht mehr unterscheiden kann, ob es zunächst A und dann B passiert oder umgekehrt. Das Teilchen passiert also in einem Überlagerungszustand gleichzeitig AB und BA - wodurch sich das Rauschen deutlich reduziert, wie in zwei unabhängigen Forschungsarbeiten experimentell nachgewiesen wurde.

„Gar nicht so kompliziert“
Philip Walther hat nun mit seiner Kollegin Giulia Rubino und ihrem Team gezeigt, dass dieser Effekt auch einfacher erreicht und das Rauschen zwischen zwei Kommunikationspartnern vollständig eliminiert werden kann. Sie experimentierten mit verschiedenen Möglichkeiten und verglichen, welche am besten verschiedene Rauscharten unterdrücken. „Es zeigte sich, dass es gar nicht so kompliziert sein muss und es manchmal Überlagerungen gibt, die noch bessere Resultate erzielen“, sagte Walther.

Laut Forschern kann die Rauschunterdrückung bei der Langstreckenkommunikation sofort eingesetzt werden.

(Bild: Philip Walther Gruppe, Universität Wien)

Technik könnte sofort eingesetzt werden
So gibt es Rauscharten wo es reicht, für die Kommunikation mit Lichtteilchen einfach zwei Glasfaserleitungen zur Verfügung zu stellen und die Teilchen in Superposition zu bringen, also beide Wege gehen zu lassen. „Die einfachsten Schemata für die Quantenüberlagerung von verrauschten Kanälen sind zugleich diejenigen, die das kommunikationsstörende Rauschen am besten minimieren“, so Walther. Weil die demonstrierte Technik so einfach ist, könne sie sofort in der aktuellen Langstreckenkommunikation eingesetzt werden.

Quelle: APA