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Erster Nachweis für Quantenteleportation zwischen zwei unterschiedlichen Quantenpunkten gelungen
Ein internationales Forschungsteam unter Beteiligung der Universität 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 – räumlich 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“ veröffentlicht.
Langjährige europäische Zusammenarbeit führt zum Erfolg
Über einen Zeitraum von rund drei Jahren hat sich ein Team aus Doktorand*innen und Postdocs der Universität Paderborn intensiv mit den optischen Messungen, der Datenauswertung und der Analyse beschäftigt. Die Paderborner Gruppe um Prof. Dr. Klaus Jöns arbeitete dabei eng mit dem Team von Prof. Dr. Rinaldo Trotta von der Sapienza Universität Rom, Italien, zusammen. „Das Experiment zeigt eindrucksvoll, dass Quantenlichtquellen auf Basis von Halbleiter-Quantenpunkten eine Schlüsseltechnologie für künftige Quantenkommunikationsnetzwerke darstellen können. Die erfolgreiche Quantenteleportation zwischen zwei verschiedenen Quantenemittern ist ein wesentlicher Schritt in Richtung skalierbarer Quantenrelais und damit einer praktischen Umsetzung des Quanteninternets“, erklärt Prof. Jöns, Leiter der Arbeitsgruppe „Hybrid Photonics Quantum Devices“ und Vorstandsmitglied des Instituts für Photonische Quantensysteme („PhoQS“) der Universität Paderborn.
Zum Hintergrund: Verschränkte 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 Zuständen. Solche Systeme finden Einsatz in der Kommunikation, der Datensicherheit oder beim Quantencomputing. Bei der Verschränkung 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. Jöns.
Bereits vor über zehn Jahren entwickelten Prof. Jöns und Prof. Trotta eine Roadmap, wie Quantenpunkte als Quellen verschränkter Photonenpaare für Quantenkommunikation und Teleportationsprotokolle eingesetzt werden können. „Dieses Ergebnis zeigt, dass unsere langfristige strategische Planung aufgegangen ist“, sagt Prof. Jöns und ergänzt: „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 Universität Linz mit höchster Präzision entwickelt. Die Nanofabrikation der Resonatoren erfolgte durch Partner*innen an der Universität Würzburg. Wissenschaftler*innen der Sapienza Universität Rom haben die Quantenteleportationsexperimente durchgeführt, einschließlich einer 270 Meter langen Freiraumverbindung zwischen zwei Universitätsgebäuden. GPS-gestützte Synchronisation, ultraschnelle Einzelphotonendetektoren und aktive Stabilisierungssysteme kompensierten dabei atmosphärische Turbulenzen. Die erreichte Teleportationsfidelität von 82 ± 1 Prozent, also die Güte, in der die Quantenzustände 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 nächste große Etappe bereitet: die Demonstration eines sogenannten „Entanglement-Swappings“ zwischen zwei Quantenpunkten. Dabei handelt es sich um das erste Quantenrelais mit zwei deterministischen Quellen verschränkter Photonenpaare. Zur Einordnung: Deterministische Quantenquellen erzeugen – quasi auf Knopfdruck – relativ verlässlich einzelne Photonen. Bislang war das mit größeren Herausforderungen verbunden.
Gleichzeitige Fortschritte
Unabhängig und nahezu zeitgleich hat ein Forschungsteam aus Stuttgart und Saarbrücken unter Einsatz von Frequenzkonversion ein ähnliches Ergebnis erzielt. Beide Arbeiten markieren gemeinsam einen wichtigen Meilenstein für die europäische Quantenforschung.
Zum Paper: https://www.nature.com/articles/s41467-025-65911-9
Prof. Dr. Klaus Jöns, Institut für Photonische Quantensysteme der Universität Paderborn, Fon: +49 5251 60-7030, E-Mail klaus.joens@uni-paderborn.de
https://www.nature.com/articles/s41467-025-65911-9
Symbolbild: Quantenforschung an der Universität Paderborn
Source: Besim Mazhiqi
Copyright: Universität Paderborn
Criteria of this press release:
Journalists
Physics / astronomy
transregional, national
Research results, Scientific Publications
German
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