Quantenrekord geknackt: Chinesische Forscher verschränken Quantenspeicher über 420 Kilometer Glasfaser

Veröffentlicht in Physical Review Letters als „Editors' Suggestion“ und zuvor auf arXiv , ist das Experiment ein konkreter Schritt von der metropolitangebietsgroßen Quantennetzwerke hin zu echten Verbindungen zwischen Städten.

Wie das Experiment funktionierte

Das System bestand aus zwei Quantenspeicher-Knoten, die liebevoll Alice und Bob genannt wurden, mit einem zentralen Messknoten (Charlie) dazwischen . Jeder Speicherknoten war eine Wolke aus Rubidium-87-Atomen, die mit Lasern gekühlt und eingefangen wurden. Um die Verschränkung zu erzeugen, verwendete das Team ein etabliertes Protokoll namens Duan-Lukin-Cirac-Zoller (DLCZ) . Bei diesem Ansatz sendet jeder Speicher mit einer gewissen Wahrscheinlichkeit ein einzelnes Photon aus. Der Nachweis dieses Photons am zentralen Knoten signalisiert, dass die beiden Speicher verschränkt sind.

Das Team musste drei große Hürden überwinden, um die 420 km zu erreichen:

Wellenlängenkonvertierung. Rubidium-Speicher emittieren natürlicherweise Photonen bei etwa 780 nm im nahen Infrarot. Diese würden auf langen Glasfaserstrecken schnell absorbiert. Das Team konvertierte jedes Photon in das Telekom-Band (um 1550 nm) – dieselbe Wellenlänge, die für die Standard-Glasfaserkommunikation verwendet wird –, damit das Signal hunderte Kilometer zurücklegen kann, ohne absorbiert zu werden .

Aktive Stabilisierung. Über 420 km Glasfaser können Temperaturschwankungen, Vibrationen und andere mechanische Effekte die für die Einzelphotonen-Interferenz notwendige Phasenbeziehung zerstören. Das Team setzte ein Stabilisierungssystem ein, das diese Schwankungen kontinuierlich ausglich und die Kohärenz über die gesamte Strecke bewahrte .

Einzelphotonen-Interferenz. Die Kernmessung, die die Verschränkung erzeugt, findet am zentralen Knoten statt, wo Photonen von Alice und Bob interferieren. Stabile Interferenz mit einzelnen Photonen über eine solche Distanz zu erreichen, war eine große technische Herausforderung, die das Team erfolgreich löste .

Die PLOB-Grenze durchbrochen

Vielleicht das bedeutendste Ergebnis ist, dass das Experiment die PLOB-Grenze überschritten hat – die theoretische maximale Rate, mit der Verschränkung über einen verlustbehafteten Kanal ohne Quantenverstärker verteilt werden kann . Die gemessene Wahrscheinlichkeit für die Speicher-Speicher-Verschränkung übertraf diese Grenze bei Entfernungen ab etwa 230 km, und der Vorteil wuchs mit der Faserlänge bis hin zu 420 km . Wie ein Bericht feststellte, ist dies die erste speicherbasierte Demonstration, die diese fundamentale Grenze überschreitet .

Das Team zeigte auch, dass ihr speichergestütztes Schema ab etwa 320 km eine bessere Leistung erbringt als die direkte faserbasierte Verteilung von Verschränkung . Dies liegt daran, dass der speicherbasierte Ansatz mit der Quadratwurzel der Kanaltransmission skaliert, während die direkte Übertragung linear mit der Transmission skaliert – ein fundamentaler Unterschied, der den Speichern bei großen Entfernungen den Vorteil verschafft .

Warum das für das Quanteninternet wichtig ist

Der Sprung von der Stadt- zur interstädtischen Ebene. Bisherige faserbasierte materiebasierte Verschränkungsrekorde lagen im Bereich von 50–100 km, was einem typischen Stadtgebiet entspricht . Mit 420 km erreicht das Experiment Entfernungen, die Städte verbinden. Wie die Autoren schreiben: „Unser Experiment bietet eine Testumgebung für die Untersuchung von Anwendungen von Quantennetzwerken jenseits der Größenordnung einer einzelnen Stadt“ .

Validierung speichergestützter Quantennetzwerke. Das Ergebnis beweist, dass Quantenspeicher Verschränkung über praktische Glasfaserlängen speichern und signalisieren können und dabei die verstärkerlose Grenze übertreffen . Dies ist eine notwendige Voraussetzung für den Bau skalierbarer Quantenverstärker und letztlich eines vollwertigen Quanteninternets .

Kompatibilität mit bestehender Telekom-Infrastruktur. Die Schlüsselkomponenten – Wellenlängenkonvertierung ins Telekom-Band, aktive Faserstabilisierung und Kaltatom-Speicher – sind alle mit Standard-Glasfaserausrüstung kompatibel . Dies deutet auf einen realistischen Aufrüstpfad von heutigen Quantenschlüsselverteilungs-Netzwerken (QKD) zu einem zukünftigen Quanteninternet mit speichergestützter Langstrecken-Verschränkungsverteilung hin.

Wichtige Einschränkungen

Obwohl die technische Leistung beachtlich ist, muss betont werden, dass es sich um eine Labordemonstration handelte. Das Experiment verwendete aufgewickelte Glasfasern in einer kontrollierten Umgebung, nicht eine im Feld verlegte Verbindung . Die Faser umfasste ein kurzes Feldsegment vom Universitätslabor zu einem Messknoten im Hefei Software Park, aber der Großteil der Distanz wurde auf Spulen zurückgelegt . Der Einsatz in der realen Welt wird die Lösung weiterer technischer Herausforderungen erfordern, darunter die Stabilität von im Feld verlegten Fasern, die Integration mit Switching- und Routing-Hardware und die Skalierung auf mehrere miteinander verbundene Knoten .