488. JENAer Optik­kol­lo­quium • Ver­schränkte Welt: Von pho­to­ni­schen Quan­ten­pro­zes­so­ren zu glo­ba­len Satellitennetzen

Das quan­ten­phy­si­ka­li­sche Phä­no­men der Ver­schrän­kung wurde einst von Albert Ein­stein als »spuk­hafte Fern­wir­kung« abge­tan. Inzwi­schen haben eine Viel­zahl grund­le­gen­der Expe­ri­mente jedoch belegt, dass die Quan­ten­ver­schrän­kung nicht nur exis­tiert, son­dern auch neu­ar­tige Anwen­dun­gen in der Infor­ma­ti­ons­ver­ar­bei­tung und der Sen­so­rik ermög­licht. Ein glo­ba­les Quan­ten­in­ter­net könnte bis­her undenk­bare oder deut­lich ver­bes­serte Anwen­dun­gen befä­hi­gen, wie etwa prä­zi­sere Zeit­syn­chro­ni­sa­tion, blin­des Cloud-Com­pu­ting oder eine hoch­si­chere Daten­über­tra­gung. Ins­be­son­dere die Quan­ten­kryp­to­gra­phie hat dabei erste kom­mer­zi­elle Anwen­dung über kurze Faser­ver­bin­dun­gen bereits gefun­den. Der­ar­tige Quan­ten­mehr­werte auch in glo­ba­len Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­ons­net­zen zu erschlie­ßen, ist jedoch mit einer Reihe tech­no­lo­gi­scher und wis­sen­schaft­li­cher Her­aus­for­de­run­gen ver­bun­den. Hier bedarf es neben der Ent­wick­lung sys­tem­in­te­grier­ter quan­ten­op­ti­scher Hard­ware ins­be­son­dere auch effi­zi­en­te­rer Metho­den für die Erzeu­gung, Mani­pu­la­tion, und Ver­tei­lung ver­schränk­ter Pho­to­nen über große Distanzen.

Ein viel­ver­spre­chen­der Ansatz könnte hier die Erhö­hung der Dimen­sio­na­li­tät der Quan­ten­ver­schrän­kung sein. Die Mehr­heit gegen­wär­ti­ger Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­ons­expe­ri­mente bedient sich bis­her einer zwei­di­men­sio­na­len Zustands­ko­die­rung, zum Bei­spiel in ortho­go­na­len Pola­ri­sa­ti­ons­mo­den, womit jedes Pho­ton höchs­tens ein Quan­ten-Bit über­tra­gen kann. Pho­to­nen haben jedoch wei­tere Quan­ten­ei­gen­schaf­ten (z. B. Fre­quenz, zeit­li­che oder räum­li­che Mode), die eben­falls zur Infor­ma­ti­ons­über­tra­gung her­an­ge­zo­gen wer­den kön­nen. Die Aus­wei­tung von Quan­ten­pro­to­kol­len auf hoch­di­men­sio­nale Frei­heits­grade birgt gro­ßes Poten­zial hin­sicht­lich Band­breite und Effi­zi­enz der Quan­ten­in­for­ma­ti­ons­ver­ar­bei­tung. Das könnte unter ande­rem dabei hel­fen, die Anzahl der benö­tig­ten Pho­to­nen zu redu­zie­ren und künf­tige tech­no­lo­gi­sche Anwen­dun­gen in die­sem Feld damit schnel­ler und effi­zi­en­ter ablau­fen zu lassen.

Die­ser Vor­trag gibt einen Über­blick zur aktu­el­len For­schung und Ent­wick­lung im Bereich der Quan­ten­kom­mu­ni­ka­tion und Sen­so­rik mit ver­schränk­ten Pho­to­nen. Nach einer kur­zen Ein­füh­rung in grund­le­gen­dende Kon­zepte der Quan­ten­in­for­ma­tion und der Erzeu­gung ver­schränk­ter Pho­to­nen mit­tels nicht­li­nea­rer Optik wer­den Fra­ge­stel­lung um die phy­si­ka­lisch-tech­ni­schen Grund­la­gen von Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­ons­sys­te­men und Link­tech­no­lo­gien für reale Anwen­dungs­sze­na­rien behan­delt. Es folgt ein Bericht über die erste erfolg­rei­che Demons­tra­tion einer quan­ten­si­che­ren Kom­mu­ni­ka­tion zwi­schen zwei öffent­li­che Ein­rich­tun­gen in Deutsch­land. Abschlie­ßend wird auf aktu­elle For­schung in der Gruppe zur Mani­pu­la­tion und Ver­ar­bei­tung hoch­di­men­sio­nal ver­schränk­ter Pho­to­nen für die Quan­ten­in­for­ma­ti­ons­ver­ar­bei­tung und Sen­so­rik in ver­teil­ten Net­zen eingegangen.

Fabian Stein­lech­ner pro­mo­vierte 2015 am ICFO – The Insti­tute of Pho­to­nic Sci­en­ces in Bar­ce­lona, wo sich seine For­schung auf Quan­ten­licht­quel­len für Anwen­dun­gen im Welt­raum kon­zen­trierte. Im Anschluss an die Pro­mo­tion forschte er als Post­doc am Insti­tut für Quan­ten­op­tik und Quan­ten­in­for­ma­tion der Öster­rei­chi­schen Aka­de­mie der Wis­sen­schaf­ten an expe­ri­men­tel­len Tests der Nicht­lo­ka­li­tät und der ver­schrän­kungs­ba­sier­ten Quan­ten­kom­mu­ni­ka­tion über lange Distan­zen. Im August 2018 wurde er mit dem For­schungs­pro­gramm „Pho­to­ni­sche Tech­no­lo­gien für die Quan­ten­kom­mu­ni­ka­tion“ zum Nach­wuchs­grup­pen­lei­ter am Fraun­ho­fer IOF beru­fen. Die For­schung in der Gruppe kon­zen­triert sich auf ange­wandte pho­to­ni­sche Quan­ten­tech­no­lo­gien – vom Engi­nee­ring ver­schränk­ter Licht­zu­stände bis hin zu Anwen­dun­gen auf Sys­tem­ebene. Seit 2020 ent­wi­ckelt er mit sei­ner Gruppe Aktive und Adap­tive Optik auch Link­tech­no­lo­gien und adap­tiv-opti­sche Sys­teme für die Quan­ten­kom­mu­ni­ka­tion mit Satelliten.