Bahnbrechende Quantenkommunikation über grosse Distanzen mit Hohlkernfasern

Telekommunikationsunternehmen nutzen Glasfasern, um Licht über lange Distanzen für sowohl klassische als auch Quantenkommunikation zu senden. Traditionelle Fasern haben feste Kerne, aber es gibt jetzt neue Arten, die hohlkernFasern (HCFs) genannt werden. HCFs zeigen interessante Lichtleitfähigkeiten, die sie für die Kommunikation vorteilhaft machen.

Dieser Artikel beschreibt, wie wir es geschafft haben, verschränkte Photonen durch eine lange hohlkernFaser (7,7 km) zu übertragen. Dieses Ergebnis stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, da es die erste erfolgreiche Übertragung von verschränkten Teilchen durch eine so lange Struktur ist. Die Vorteile dieser neuen Methode sind reduzierte Verzögerungen und weniger Streuung von Lichtsignalen.

#Hintergrund

Quanten-Technologien, einschliesslich Kommunikation und Computing, entwickeln sich schnell weiter. Der Aufbau von grossflächigen Quanten-Netzwerken wird immer üblicher. Damit diese Netzwerke funktionieren, ist es notwendig, Quanten-Zustände von Licht zwischen entfernten Standorten über Glasfasern zu teilen.

Quantenprotokolle, wie Quanten-Schlüsselverteilung (QKD) und Quanten-Münzwurf, benötigen Glasfasern mit niedrigen Verlusten für ihre Wirksamkeit. Reguläre Glasfasern, besonders die für Telekommunikation konzipierten, funktionieren am besten in einem bestimmten Wellenlängenbereich. Der Telekom-C-Band ist besonders effizient für die Signalübertragung, was ihn zur bevorzugten Wahl für Quantenkommunikationsaktivitäten macht.

Allerdings arbeiten viele Quanten-Geräte ganz natürlich ausserhalb dieses optimalen Bereichs. Wissenschaftler suchen deshalb nach Wegen, wie man diese Geräte anpassen kann, damit sie im Telekom-C-Band eingesetzt werden können.

#Das Experiment

Für unser Experiment haben wir eine spezielle Art von hohlkernFaser verwendet, die als genestete anti-resonante kernlose Faser (NANF) bekannt ist. Diese spezielle Faser besteht aus zwei Teilen, die kombiniert wurden, um die benötigte Länge von 7,7 km zu erzeugen.

Hohlkernfasern können so gestaltet werden, wie es bei festen Kernen nicht möglich ist, was eine bessere Lichtübertragung und niedrigere Verluste ermöglicht. Der luftgefüllte Kern von HCF ermöglicht es Licht, sich mit Geschwindigkeiten zu bewegen, die fast gleich der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum sind. Diese Verbesserung führt zu schnellerer Kommunikation mit sehr geringen Verzögerungen.

Eine weitere bemerkenswerte Eigenschaft von HCF ist die geringe Chromatische Dispersion, was bedeutet, dass die Streuung von Lichtsignalen auf ihrem Weg minimiert ist. Für unser Experiment haben wir gemessen, wie gut verschränkte Photonen durch HCF im Vergleich zu traditionellen festen Kernen reisen konnten, insbesondere wie die Übertragungszeit die Qualität der Verschränkung beeinflusst.

#Einrichtung des Experiments

Wir haben Paare von polarisation-verschriebenen Photonen erzeugt. Einer dieser Photonen wurde in ein Zeit-Bin-Qubit umgewandelt, das Informationen in der Zeit statt in der Polarisation repräsentiert. Danach wurde dieses Zeit-Bin-Qubit entweder durch HCF oder eine feste Kernfaser übertragen.

Indem wir das Zeit-Bin-Qubit am Ende der Faser zurück in die Polarisation umgewandelt haben, konnten wir die Wirksamkeit der Übertragung bewerten und die Qualität der Verschränkung messen. Unser Setup umfasste verschiedene optische Komponenten, wie Strahlteiler und Wellenplatten, um die Lichtsignale effektiv zu steuern.

Mit zwei verschränkten Photonen überwachten wir ihre Ankunftszeiten, nachdem sie entweder durch die hohlkernFaser oder die feste Kernfaser gereist waren. Das erlaubte uns, die Latenz oder Verzögerung der beiden Methoden zu vergleichen.

#Latenz-Messungen

Wir fanden heraus, dass Photonen, die durch HCF reisten, schneller ankamen als solche, die durch herkömmliche feste Kernen reisten. Die reduzierte Latenz ist vorteilhaft für jedes Kommunikationssystem, besonders in Quanten-Technologien, wo das Timing entscheidend für den erfolgreichen Signalübertrag ist.

Wir bemerkten auch, dass die durch HCF übertragenen Signale ihre Klarheit besser bewahrten als die durch feste Kernen. Die deutlichen Spitzen in den Ankunftszeiten zeigten, dass HCF die Integrität der Lichtsignale bewahrte. Diese Qualität ist essenziell für Funktionen wie die Quanten-Schlüsselverteilung, bei der Timing und Klarheit unmittelbar die Sicherheit beeinflussen.

#Qualität der Verschränkung

Um zu untersuchen, wie gut wir die verschränkten Zustände durch HCF verteilen konnten, haben wir den Zustand der Photonen betrachtet, nachdem sie die Faser passiert hatten. Dazu verwendeten wir eine Technik namens Quanten-Zustands-Tomografie, die hilft, den verspannten Zustand zu rekonstruieren und seine Reinheit und Übereinstimmung zu messen.

Während unserer Bewertungen bemerkten wir, dass es zwar eine leichte Reduktion in der Qualität des verspannten Zustands gab, nachdem die Photonen durch HCF gegangen waren, es aber dennoch deutlich besser war als das, was mit festen Kernen erreicht wurde. Die Unterschiede in der Leistung wurden auf geringfügige Unvollkommenheiten in der Übertragung und die spezifischen Eigenschaften der Fasern zurückgeführt.

Wir untersuchten auch, wie Veränderungen im Zeit-Bin-Abstand die Qualität des verspannten Zustands beeinflussten. Es wurde klar, dass HCF bei kleineren Zeit-Bin-Abständen besser abschnitt als feste Kernen. Die durch HCF gesendeten Signale konnten ihre verschränkten Eigenschaften länger bewahren als die, die durch feste Kernen gesendet wurden.

#Überlappende Zeit-Bins

Eine zentrale Herausforderung, der wir gegenüberstanden, war das Problem der überlappenden Zeit-Bins. Wenn der Zeit-Bin-Abstand abnimmt, können die Signale anfangen sich zu vermischen, was die Fähigkeit erschwert, zwischen ihnen zu unterscheiden. Wir fanden heraus, dass HCF die Zeit-Bins bei kleineren Abständen besser trennen konnte als feste Kernen, dank der niedrigeren Dispersionseigenschaften von HCF.

Mit unseren Ergebnissen bestätigten wir, dass wir bei überlappenden Zeit-Bins eine reduzierte Qualität sowohl in Bezug auf Reinheit als auch auf Übereinstimmung messen konnten. Dennoch blieb HCF auch unter diesen schwierigen Bedingungen überlegen.

#Fazit

Zusammenfassend haben wir gezeigt, dass es möglich und effektiv ist, verschränkte Photonen über eine hohlkernFaser über eine Distanz von 7,7 km zu übertragen. Dieser Fortschritt bietet vielversprechende Ergebnisse für zukünftige Quantenkommunikationssysteme. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass HCF von Natur aus Vorteile wie reduzierte Latenz und niedrigere Dispersion hat, die beide entscheidend sind, um eine hochwertige Signalübertragung in der Quanten-Technologie zu gewährleisten.

Während die Forschung an hohlkernFasern weiter voranschreitet, können wir neue Anwendungen und Verbesserungen im Bereich der Quantenkommunikation erwarten. Das Potenzial zur weiteren Optimierung deutet darauf hin, dass HCFs letztendlich das Rückgrat robuster Quanten-Netzwerke werden könnten, die eine sichere und effiziente Kommunikation im grösseren Massstab ermöglichen.

#Zukünftige Richtungen

Wir freuen uns darauf, die Fähigkeiten von hohlkernFasern weiter zu untersuchen und ihre Anwendungen in anderen Quanten-Technologien zu erkunden. Durch die Verfeinerung unserer Techniken und Werkzeuge haben wir uns zum Ziel gesetzt, die Grenzen dessen, was hohlkernFasern im Bereich der Quantenkommunikation erreichen können, weiter zu verschieben.

Langfristig könnte die Integration von HCFs in ein breiteres Spektrum von Quantenprotokollen zu erheblichen Verbesserungen in der Leistung und Sicherheit führen, was den Weg für ihre Anwendung in kommerziellen und experimentellen Quanten-Systemen ebnen würde.