Die Forscher nutzten innovative Techniken und überwanden bisherige Einschränkungen, um einen neuen Geschwindigkeitsrekord von 7,1 Qubits pro Sekunde aufzustellen. Damit trieben sie die Entwicklung der Quantenfernübertragungstechnologie voran und markierten einen entscheidenden Schritt in Richtung eines effizienten und weitreichenden Quanteninternets.

Die Quantenteleportation nutzt Quantenverschränkung und klassische Kommunikation, um Quanteninformationen an entfernte Orte zu übertragen. Dieses Konzept wurde in einer Vielzahl von Quantenlichtsystemen umgesetzt, von Laborexperimenten bis hin zu praktischen Tests in der realen Welt. Es ist erwähnenswert, dass es Wissenschaftlern mithilfe des erdnahen Satelliten Micius gelungen ist, Quanteninformationen über eine Entfernung von mehr als 1.200 Kilometern zu übertragen. Allerdings gibt es derzeit kein Quantenübertragungssystem mit Übertragungsraten in der Größenordnung von Hertz. Dies behindert zukünftige Anwendungen des Quanteninternets.

In einem in „Light Science & Application“ veröffentlichten Artikel arbeitete ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Professor Guo Guangcan und Professor Zhou Qiang von der University of Electronic Science and Technology of China mit Professor You Lixing vom Shanghai Institute of Microsystems and Information Technology der Chinesischen Akademie der Wissenschaften zusammen. Basierend auf dem „UESTC First City Quantum Internet“ steigerten sie erstmals die Teleportationsrate auf 7,1 Qubits pro Sekunde. Damit wurde ein neuer Rekord für ein Quantenteleportationssystem innerhalb eines Stadtgebiets aufgestellt.

a, Luftaufnahme des Fördersystems. Alice „A“ befindet sich im Netzwerkschaltraum, Bob „B“ und Charlie „C“ befinden sich in zwei verschiedenen Laboren. Alle Glasfasern, die die drei Knoten verbinden, gehören zum UESTC-Backbone-Netzwerk. Während des Experiments wurden nur die von Alice, Bob und Charlie erzeugten Signale über diese „dunklen“ Fasern übertragen. Alice bereitet den Ausgangszustand mit einer schwach kohärenten Einzelphotonenquelle vor und sendet ihn über den Quantenkanal an Charlie. Bobs verschränkte Quelle erzeugt ein Paar verschränkter Photonen, die das träge Photon dann über einen anderen Quantenkanal an Charlie senden. Charlie führt eine gemeinsame Bell-Zustandsmessung (BSM) an den von Alice und Bob gesendeten Qubits durch und projiziert sie in einen von vier Bell-Zuständen. Anschließend wird das BSM-Ergebnis über den klassischen Kanal an Bob gesendet, und Bob führt eine Einheitstransformation (U) am Signalphoton durch, um den Anfangszustand wiederherzustellen.

„Die Demonstration der Hochgeschwindigkeits-Quantenteleportation außerhalb des Labors bringt eine Reihe von Herausforderungen mit sich. Dieses Experiment zeigt, wie diese Herausforderungen bewältigt werden können, und setzt damit einen wichtigen Meilenstein für das zukünftige Quanteninternet“, sagte Professor Zhou Qiang, der korrespondierende Autor dieser Arbeit. Eine große experimentelle Herausforderung für reale Quantenteleportationssysteme ist die Durchführung von Bell-Zustandsmessungen (BSM).

Um den Erfolg der Quantenteleportation sicherzustellen und die Effizienz der Bell-State-Messung (BSM) zu verbessern, müssen die Photonen von Alice und Bob bei Charlie nach der Übertragung über große Entfernungen in optischen Fasern nicht zu unterscheiden sein. Das Forschungsteam entwickelte ein voll funktionsfähiges Rückkopplungssystem, das eine schnelle Stabilisierung der Unterschiede in der Photonenweglänge und der Polarisation ermöglichte.

Das Team hingegen nutzte einen periodisch polarisierten Lithiumniobat-Wellenleiter am Ende einer einzelnen optischen Faser, um verschränkte Photonenpaare zu erzeugen. Auf dieser Grundlage entwickelten sie eine hochwertige quantenverschränkte Lichtquelle mit einer Wiederholrate von 500 MHz für Fernübertragungssysteme.

Der rote Balken ist die mit QST gemessene Wiedergabetreue. Der blaue Balken ist die mit DSM erzielte Wiedergabetreue. Die Genauigkeit beider Methoden überschreitet die klassische Grenze von 2/3, die graue gestrichelte Linie.

Eine solche auf Quantenoptik basierende Hochgeschwindigkeits-Quantenteleportation erfordert die empfindlichsten Photonensensoren, um so viele Ereignisse wie möglich zu erfassen. Das Team um Professor You Lixing stellte zusammen mit Kollegen von Photon Technology Co., Ltd. leistungsstarke supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren für dieses Experiment bereit. Da der Detektor äußerst effizient und praktisch rauschfrei ist, werden hocheffiziente BSM- und Quantenzustandsanalysen erreicht.

Das Forschungsteam verwendete zwei Methoden, Quantenzustandstomographie und Täuschungszustand, um die Genauigkeit der Fernübertragung zu berechnen, die viel höher als der klassische Grenzwert (66,7 %) ist, und bestätigte damit, dass eine Hochgeschwindigkeits-Quantenfernübertragung in Städten realisiert wurde.

Es wird erwartet, dass die „University of Electronic Science and Technology of China No. Das Team geht außerdem davon aus, dass diese Infrastruktur die praktische Anwendung des Quanteninternets weiter vorantreiben wird.