Erster Nachweis für Quantenteleportation zwischen zwei unterschiedlichen Quantenpunkten gelungen
Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Universit?t Paderborn hat einen entscheidenden Durchbruch auf dem Weg zum Quanteninternet erzielt. Zum ersten Mal ist es gelungen, den Polarisationszustand eines einzelnen Photons, das von einem Quantenpunkt ausgesendet wurde, auf ein Photon eines anderen – r?umlich getrennten – Quantenpunkts zu teleportieren. Einfacher ausgedrückt bedeutet das: Die Eigenschaften eines Lichtteilchens (Photon) konnten mittels Teleportation auf ein anderes übertragen werden. Dieser Schritt ist besonders wichtig für künftige Quantenkommunikationsnetzwerke. Bei ihren Experimenten haben die Wissenschaftler*innen u. a. eine 270 Meter lange Freiraumverbindung genutzt. Die Ergebnisse wurden jetzt in der Fachzeitschrift ?Nature Communications“ ver?ffentlicht.
Langj?hrige europ?ische Zusammenarbeit führt zum Erfolg
?ber einen Zeitraum von rund drei Jahren hat sich ein Team aus Doktorand*innen und Postdocs der Universit?t Paderborn intensiv mit den optischen Messungen, der Datenauswertung und der Analyse besch?ftigt. Die Paderborner Gruppe um Prof. Dr. Klaus J?ns arbeitete dabei eng mit dem Team von Prof. Dr. Rinaldo Trotta von der Sapienza Universit?t Rom, Italien, zusammen. ?Das Experiment zeigt eindrucksvoll, dass Quantenlichtquellen auf Basis von Halbleiter-Quantenpunkten eine Schlüsseltechnologie für künftige Quantenkommunikationsnetzwerke darstellen k?nnen. Die erfolgreiche Quantenteleportation zwischen zwei verschiedenen Quantenemittern ist ein wesentlicher Schritt in Richtung skalierbarer Quantenrelais und damit einer praktischen Umsetzung des Quanteninternets“, erkl?rt Prof. J?ns, Leiter der Arbeitsgruppe ?Hybrid Photonics Quantum Devices“ und Vorstandsmitglied des Instituts für Photonische Quantensysteme (?PhoQS“) der Universit?t Paderborn.
Zum Hintergrund: Verschr?nkte Systeme aus mehreren Quantenteilchen bieten entscheidende Vorteile für die Quantenkommunikation. Anstatt eines einzelnen Zustands, der sich aus den Gegebenheiten eines Photons ergibt, entsteht ein Gesamtsystem aus mehreren Zust?nden. Solche Systeme finden Einsatz in der Kommunikation, der Datensicherheit oder beim Quantencomputing. Bei der Verschr?nkung werden bestimmte Eigenschaften der Photonen miteinander gekoppelt. Ein Zustand entspricht dabei einer Information, die weiterverarbeitet wird. ?Bisher stammten diese Photonen aber aus ein und derselben Quelle, also demselben Emitter. Zwar gab es in den letzten Jahren erhebliche Fortschritte, aber die Nutzung verschiedener Quantenemitter zur Realisierung eines Quantenrelais zwischen voneinander entfernten Parteien war bis dato unerreichbar“, so Prof. J?ns.
Bereits vor über zehn Jahren entwickelten Prof. J?ns und Prof. Trotta eine Roadmap, wie Quantenpunkte als Quellen verschr?nkter Photonenpaare für Quantenkommunikation und Teleportationsprotokolle eingesetzt werden k?nnen. ?Dieses Ergebnis zeigt, dass unsere langfristige strategische Planung aufgegangen ist“, sagt Prof. J?ns und erg?nzt: ?Die Kombination aus exzellenter Materialwissenschaft, Nanofabrikation und optischer Quantentechnologie war der Schlüssel zum Erfolg.“
Technologische Exzellenz mehrerer Forschungsstandorte
Der Erfolg beruht auf einem europaweiten Forschungsverbund: Die Quantenpunkte wurden an der Johannes Kepler Universit?t Linz mit h?chster Pr?zision entwickelt. Die Nanofabrikation der Resonatoren erfolgte durch Partner*innen an der Universit?t Würzburg. Wissenschaftler*innen der Sapienza Universit?t Rom haben die Quantenteleportationsexperimente durchgeführt, einschlie?lich einer 270 Meter langen Freiraumverbindung zwischen zwei Universit?tsgeb?uden. GPS-gestützte Synchronisation, ultraschnelle Einzelphotonendetektoren und aktive Stabilisierungssysteme kompensierten dabei atmosph?rische Turbulenzen. Die erreichte Teleportationsfidelit?t von 82 ± 1 Prozent, also die Güte, in der die Quantenzust?nde bei der Teleportation erhalten bleiben, übertrifft den klassischen Grenzwert um mehr als zehn Standardabweichungen.
Ausblick: Erstes Quantenrelais mit zwei deterministischen Quellen
Mit diesem Erfolg wurde der Weg für die n?chste gro?e Etappe bereitet: die Demonstration eines sogenannten ?Entanglement-Swappings“ zwischen zwei Quantenpunkten. Dabei handelt es sich um das erste Quantenrelais mit zwei deterministischen Quellen verschr?nkter Photonenpaare. Zur Einordnung: Deterministische Quantenquellen erzeugen – quasi auf Knopfdruck – relativ verl?sslich einzelne Photonen. Bislang war das mit gr??eren Herausforderungen verbunden.
Gleichzeitige Fortschritte
Unabh?ngig und nahezu zeitgleich hat ein Forschungsteam aus Stuttgart und Saarbrücken unter Einsatz von Frequenzkonversion ein ?hnliches Ergebnis erzielt. Beide Arbeiten markieren gemeinsam einen wichtigen Meilenstein für die europ?ische Quantenforschung.
Zum Paper: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65911-9
