Wissenschaftler haben zum ersten Mal Quantenteleportation über das Internet demonstriert
Es ist zwar keine Teleportation wie im Film, aber sie ist real. Wissenschaftler der Northwestern University haben zum ersten Mal erfolgreich die Quantenteleportation über Glasfaserkabel für den Internetverkehr nachgewiesen.
Ingenieure der Northwestern University haben zum ersten Malerfolgreich die Quantenteleportation über Glasfaserkabel getestet, die den Internetverkehr übertragen. Sie haben gezeigt, dass es möglich ist, Quanten- und klassische Netze in einer gemeinsamen Glasfaserinfrastruktur zu kombinieren. Die Entdeckung, die in der Fachzeitschrift Optica veröffentlicht wurde, eröffnet die Möglichkeit, die Quantenkommunikation mit bestehenden Internetkabeln zu kombinieren und so die für fortgeschrittene Sensortechnologien oder Quantencomputeranwendungen erforderliche Infrastruktur erheblich zu vereinfachen.
"Dies ist unglaublich aufregend, weil niemand es für möglich gehalten hat", sagte Studienleiter Prem Kumar. "Unsere Arbeit zeigt einen Weg zur nächsten Generation von Quanten- und klassischen Netzwerken, die sich eine einheitliche Glasfaserinfrastruktur teilen. Sie öffnet im Grunde die Tür, um die Quantenkommunikation auf die nächste Stufe zu heben." Kumar ist Experte für Quantenkommunikation und Professor für Elektro- und Computertechnik an der McCormick School of Engineering der Northwestern University, wo er das Center for Photonic Computing and Communication leitet.
Wie Quanten-Teleportation funktioniert
Die Quantenteleportation, die nur durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt ist, ermöglicht eine neue, ultraschnelle und sichere Art des Informationsaustauschs zwischen weit entfernten Netznutzern, bei der eine direkte Übertragung nicht erforderlich ist.
Das Verfahren nutzt die Vorteile der Quantenverschränkung, einer Technik, bei der zwei Teilchen unabhängig von ihrer Entfernung miteinander verbunden sind. Anstelle von Teilchen, die physisch reisen, um Informationen zu übermitteln, tauschen verschränkte Teilchen Informationen über große Entfernungen aus, ohne sie physisch zu transportieren.
"Bei der optischen Kommunikation werden alle Signale in Licht umgewandelt", erklärt Kumar. "Während herkömmliche Signale für die klassische Kommunikation typischerweise aus Millionen von Lichtteilchen bestehen, verwendet die Quanteninformation einzelne Photonen."
"Durch eine destruktive Messung an zwei Photonen (von denen eines einen Quantenzustand trägt und eines mit einem anderen Photon verschränkt ist) wird der Quantenzustand auf das verbleibende Photon übertragen, das sehr weit entfernt sein kann", so Jordan Thomas, Doktorand in Kumars Labor und Erstautor der Arbeit. "Das Photon selbst muss nicht über große Entfernungen geschickt werden,aber sein Zustand wird in dem entfernten Photon kodiert.
Der Schlüssel
Das Wichtigste, um diese Teleportation zu ermöglichen, ist, die richtige Route zu finden, um den Verkehr zu vermeiden. Vor der neuen Studie von Kumar waren sich viele Forscher nicht sicher, ob eine Quantenteleportation auf Kabeln möglich ist, die klassische Kommunikation übertragen. Es stellte sich heraus, dass die verschränkten Photonen zwischen den Millionen anderer Lichtteilchen verloren gehen würden. Es wäre wie ein schwaches Fahrrad, das versucht, durch einen Tunnel voller vorbeifahrender Lastwagen zu kommen.
Kumar und sein Team haben jedoch gerade einen Weg gefunden, wie die empfindlichen Photonen diesen starken Verkehr vermeiden können. Nach eingehenden Untersuchungen der Lichtstreuung in Glasfaserkabeln fanden die Forscher eine weniger stark frequentierte Lichtwellenlänge, auf der sie ihre Photonen platzieren konnten. Dann fügten sie spezielle Filter hinzu, um das Rauschen des normalen Internetverkehrs zu reduzieren.
"Wir haben sorgfältig untersucht, wie Licht gestreut wird, und unsere Photonen an einem Sweet Spot platziert, an dem dieser Streuungsmechanismus minimiert wird", so Kumar. "Wir fanden heraus, dass wir Quantenkommunikation ohne Störungen durch gleichzeitig vorhandene klassische Kanäle durchführen können.
Die Schritte des Internet-Teleportationstests
Um die neue Methode zu testen, installierten Kumar und sein Team ein 30 Kilometer langes Glasfaserkabel mit einem Photon an jedem Ende. Dann schickten sie gleichzeitig Quanteninformationen und Hochgeschwindigkeits-Internetverkehr durch dieses Kabel. Schließlich maßen sie die Qualität der Quanteninformation auf der Empfängerseite, während sie das Teleportationsprotokoll durchführten, indem sie Quantenmessungen in der Mitte durchführten.
Die Forscher fanden heraus, dass Quanteninformationen selbst bei starkem Internetverkehr erfolgreich übertragen werden konnten! Obwohl viele andere Forschergruppen die Koexistenz von Quanten- und klassischer Kommunikation in Glasfasern untersucht haben, ist diese Arbeit die erste, die die Quantenteleportation in diesem neuen Szenario nachweisen konnte. Diese Fähigkeit, Informationen ohne direkte Übertragung zu senden, öffnet die Tür zu noch fortschrittlicheren Quantenanwendungen ohne spezielle Glasfaser.
Auf dem Weg in die Zukunft
Die Wissenschaftler sind von den neuen Erkenntnissen begeistert und planen nun, die Experimente auf größere Entfernungen auszudehnen. Sie planen auch, zwei Paare verschränkter Photonen (statt nur eines Paares) zu verwenden, um die gemeinsame Nutzung der Verschränkung zu demonstrieren , ein weiterer wichtiger Meilenstein auf dem Weg zu verteilten Quantenanwendungen. Sie untersuchen auch die Möglichkeit, Experimente an realen unterirdischen optischen Kabeln durchzuführen , anstatt an Spulen im Labor.
"Die Quantenteleportation hat die Fähigkeit, Quantenkonnektivität zwischen geografisch weit entfernten Knotenpunkten sicher bereitzustellen", sagte Kumar. "Aber viele Leute sind lange davon ausgegangen, dass niemand eine spezielle Infrastruktur bauen würde, um Lichtteilchen zu versenden. Wenn wir die Wellenlängen richtig wählen, brauchen wir keine neue Infrastruktur zu bauen. Klassische Kommunikation und Quantenkommunikation können nebeneinander bestehen.
Quellenhinweis:
Jordan M. Thomas, Prem Kumar, et al. Quantum teleportation coexisting with classical communications in optical fiber. Optica publishing group. (2024).
Amanda Morris. First demonstration of quantum teleportation over busy Internet cables. Space Daily. (23 de diciembre de 2024).