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Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet

Quantenkommunikation © IQOQI, Harald Ritsche

Wir kommunizieren heute mit Hilfe von Funksignalen, wir schicken elektrische Impulse durch lange Leitungen – doch das könnte sich bald ändern. Derzeit wird intensiv an Methoden der Quanten-Informationsübertragung gearbeitet. So könnte man abhörsichere Datenverbindungen herstellen oder vielleicht sogar eines Tages Quantencomputer miteinander verschalten.

Dazu muss es aber gelingen, die Information eines Quantensystems zuverlässig auf ein anderes zu übertragen – und das ist extrem schwierig. Gleichzeitig und unabhängig voneinander entwickelten nun zwei Forschungsteams, eines von der Universität Innsbruck und eines von der TU Wien, ein neuartiges Quanten-Kommunikationsprotokoll. Es ermöglicht zuverlässige Quantenkommunikation sogar in Anwesenheit von störendem Rauschen. Die Grundidee beider Forschungsgruppen ist dieselbe: Ein zusätzliches Element am Anfang und am Ende der Leitung, ein sogenannter Quanten-Oszillator, soll störendes Rauschen in der Leitung unschädlich machen.

Besonders vielversprechende Elemente für künftige Quantentechnologien sind sogenannte "supraleitende Qbits" - winzige Schaltkreise, die zwei verschiedene Zustände annehmen können. Im Gegensatz zu einem klassischen Lichtschalter, der immer entweder aus oder eingeschaltet ist, erlauben die Gesetze der Quantenphysik allerdings auch, dass ein solches Qbit eine beliebige Kombination dieser beiden Zustände annimmt, man spricht dann von einer Quanten-Überlagerung.

Um diese subtilen Quanten-Zustände von einem supraleitenden Qbit auf ein anderes zu übertragen, braucht man Photonen im Mikrowellenbereich, wie man sie auch heute bereits für klassische Signalübertragung verwendet. Eine zuverlässige Übertragung von Quanteninformation mit Mikrowellen galt bisher allerdings als unmöglich, weil das Rauschen der allgegenwärtigen Wärmestrahlung diese viel schwächeren Quantensignale komplett überlagert.

Neuartiges Übertragungsprotokoll

Die beiden Forschungsgruppen an der TU Wien und der Universität Innsbruck konnten nun zeigen, dass diese Einschränkung doch nicht so streng ist wie üblicherweise angenommen. In Zusammenarbeit mit Partnerteams aus Harvard und Yale (USA) konnten sie ein Übertragungsprotokoll entwickeln, mit dem sich das unvermeidliche Rauschen auslöschen lässt.

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