Kommunikation mithilfe der Quantenphysik: Forscher kommen der revolutionären Technologie einen großen Schritt näher!
Zum ersten Mal ist es Wissenschaftlern gelungen, nahezu perfekt verschränkte Photonenpaare mit hoher Effizienz zu erzeugen, was die Entwicklung der Quantenkommunikation möglich machen könnte.
Die Verschränkung ist eine der Besonderheiten der Quantenphysik, die kontraintuitiv und schwer zu erklären sind. Grundsätzlich bleiben zwei verschränkte Teilchen miteinander verbunden und beeinflussen sich gegenseitig, auch wenn sie durch enorme Entfernungen getrennt sind.
Man kann sich vorstellen, dass zwei verschränkte Teilchen kurz nach ihrer Erschaffung an verschiedene Orte geschickt werden – zum Beispiel bleibt eines der Teilchen auf der Erde und das andere wird zum Mond geschickt. Die beiden Teilchen sind durch eine riesige Entfernung voneinander getrennt und es gibt keine Möglichkeit für sie, zu "kommunizieren".
Wenn Sie jedoch z. B. die Rotation des Teilchens auf der Erde und die Rotation des Teilchens auf dem Mond messen, stehen sie immer noch in Beziehung zueinander, so als ob sie trotz der enormen Entfernung "kommunizieren" könnten. Sie bleiben miteinander verbunden.
Wissenschaftler haben dies erkannt, indem sie z. B. die Drehrichtung getrennter verschränkter Teilchen gemessen und festgestellt haben, dass das Paar immer in irgendeiner Weise korreliert sein wird. Dieses Phänomen wird genutzt, um ultra-sichere Datenübertragungen aufzubauen.
Jetzt ist es Forschern des Institute for Quantum Computing (IQC) an der University of Waterloo in den Vereinigten Staaten gelungen, zwei mit dem Nobelpreis ausgezeichnete Quantenkonzepte zusammenzuführen und einen großen Schritt in Richtung der endgültigen Entwicklung einer sicheren Quantenkommunikation zu machen.
Den Wissenschaftlern ist es gelungen, nahezu perfekte Paare verschränkter Photonen mit hoher Effizienz zu erzeugen
Das Ziel der Forscher bestand genau darin, den Prozess der Erzeugung dieser verschränkten Teilchen zu optimieren. In früheren Experimenten wurde entweder eine nahezu perfekte Verschränkung von Photonen mit geringer Effizienz oder eine hocheffiziente Produktion mit unvollkommener Verschränkung erreicht.
Die IQC-Forscher sind die ersten, die beide Ziele gleichzeitig erreichen.
Durch den Einbau von Halbleiter-Quantenpunkten in einen Nanodraht haben die Forscher eine Quelle entwickelt, die nahezu perfekt verschränkte Photonen erzeugt, und zwar 65-mal effizienter als frühere Arbeiten.
Diese neue Quelle kann mit Lasern angeregt werden, um verschränkte Paare auf Kommando zu erzeugen. Anschließend wurden hochauflösende Einzelphotonen-Detektoren von Single Quantum in den Niederlanden verwendet, um den Grad der Verschränkung zu erhöhen.
Um zukünftige Kommunikationsanwendungen zu demonstrieren, waren die Forscher sogar in der Lage, eine sichere Kommunikationsmethode zu simulieren, auch als "Quantenschlüsselaustausch" bekannt, was beweist, dass ihre Kreation in der Tat vielversprechend für die Zukunft der sicheren Quantenkommunikation ist.
Quelle:
Pennacchietti, M., Cunard, B., Nahar, S., et al. (2024): Oscillating photonic Bell state from a semiconductor quantum dot for quantum key distribution. Commun Phys 7, 62.