Was: Quantenteleportation mit hoher Genauigkeit
Warum: Forschung an quantenbasierten Netzwerken
Wer: Prof. Armando Rastelli / DI Dr. Tobias Maria Krieger

Die Quantenphysik bildet eine wichtige Grundlage moderner Technologien und erweitert unser Verständnis der Natur. Für ein zukünftiges Quanteninternet müssen wir lernen, quantenmechanische Effekte wie die sogenannte "Quantenteleportation" zuverlässig in Netzwerken nutzbar zu machen. Jetzt, im UNESCO Quantenjahr 2025, ist Forscher*innen der Johannes Kepler Universität Linz im Rahmen einer internationalen Kooperation genau das gelungen.

Wie kann man Informationen am schnellsten übertragen? Natürlich mit Lichtgeschwindigkeit - also mit Licht selbst. Lichtteilchen (Photonen) sind daher die Grundlage eines zukünftigen Quanteninternets. Ein solches Quanteninternet könnte Quantencomputer miteinander verbinden, um sie noch leistungsstärker zu machen, und würde zusätzlich absolut sichere Kommunikation ermöglichen - eine verschlüsselte Verbindung, die durch Naturgesetze abhörsicher ist.

Damit solche Quantennetzwerke aber funktionieren, müssten einzelne Photonen über große Entfernungen stabil übertragen werden können. Dies ist leider nicht möglich, denn einerseits werden diese über große Entfernung von der Umgebung absorbiert und gestreut, andererseits kann das Signal auch wegen des "No-Cloning-Theorem" nicht einfach verstärkt werden. Es hat sich aber herausgestellt, dass es gar nicht notwendig ist, die Photonen selbst über weite Strecken zu versenden. Es reicht, nur ihren Quantenzustand zu übertragen. Dieser Vorgang ist als Quantenteleportation bekannt.

Quantenteleportation wurde zum ersten Mal 1997 von Nobelpreisträger Anton Zeilinger demonstriert und gilt als Schlüsseltechnologie für ein zukünftiges Quanteninternet. Allerdings ist sie bislang nicht praktisch einsetzbar.

Die Methode arbeitet heute mit sehr niedrigen Raten und stellt hohe Anforderungen an die Gleichartigkeit und Stabilität der beteiligten Photonen. Wenn Quantenteleportation zukünftig technologisch angewandt wird, muss man mit Photonen arbeiten, die aus verschiedenen Quellen stammen, welche wiederum über ein großflächiges Netzwerk verteilt sind. Solche Quellen müssen hohe Raten an Photonenemission bieten und ununterscheidbare Photonen generieren.

Internationale Kooperation

Genau hier haben Wissenschaftler*innen der JKU (Abteilung Halbleiterphysik, Gruppenleiter: Univ.-Prof. Armando Rastelli) sowie Kolleg*innen von Institutionen in Italien, Deutschland, Niederlande und Brasilien angesetzt. Die Projektgruppe hat Methoden entwickelt, um Photonen in unterschiedlichen Chips zu erzeugen, sowie spektral und zeitlich exakt aufeinander abzustimmen. "Mit Hilfe neuartiger ringförmiger Auskoppler können Photonen unglaublich effizient aus dem Halbleiterchip gesammelt werden. Zusätzlich können verschiedene Quellen mithilfe magnetischer Felder so manipuliert werden, dass die emittierten Photonen ununterscheidbar werden. Nur dann können sie miteinander interferieren und den Quantenzustand teleportieren", erklärt DI Dr. Tobias Maria Krieger.

Enorme Erfolgswahrscheinlichkeit

Mit innovativen Methoden werden an der JKU Halbleiterchips gefertigt, die Quantenpunkte enthalten und verschränkte Photonenpaare erzeugen können. Ihre Nutzbarkeit für Quantennetzwerke wurde nun getestet - ein Quantenzustand eines einzelnen Photons also auf ein anderes teleportiert. Dr.in Eva Schöll erklärt das Prinzip: "Für das Teleportationsexperiment benötigen wir drei Photonen A, B und C - wobei zwei davon, B und C, miteinander verschränkt sein müssen. Der Zustand von Photon A lässt sich auf den Partner C des verschränkten Paares teleportieren, wenn das einzelne Photon A mit dem anderen Partner B des verschränkten Paares interferiert, also miteinander wechselwirkt. Das geht aber nur, wenn die Photonen A und B spektral ununterscheidbar sind." Das Ergebnis: "Wir waren überrascht, wie gut der ursprüngliche Quantenzustand beim Empfänger angekommen ist", so Schöll. Die Erfolgschance betrug 82 %. "Das bedeutet, dass der Quantenzustand bei 100 Wiederholungen 82-mal exakt so angekommen ist, wie er versandt wurde", freut sich das JKU Team.

"Dieser Erfolg eröffnet völlig neue Wege für quantenbasierte Netzwerke", ist Krieger sicher. Das Projekt hat also erstmals Quantenteleportation mit Photonen aus unterschiedlichen Halbleiter-Quantenpunkten ermöglicht, was die Skalierbarkeit dieser Halbleitertechnologie unterstreicht. Veröffentlicht wurde die Arbeit nun in der renommierten Fachzeitschrift "Nature Communications".

Zum Paper: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65911-9

Rückfragen:
DI Dr. Tobias Maria Krieger
Abteilung Halbleiterphysik E-Mail: tobias.krieger@jku.at
Tel.: 0732 2468 955

Mag. Christian Savoy
PR-Mitarbeiter
Universitätskommunikation
JOHANNES KEPLER
UNIVERSITÄT LINZ
Altenberger Straße 69
4040 Linz, Österreich
T +43 732 2468 3012
christian.savoy@jku.at
www.jku.at