Quantenrepeater

Ein Quantenrepeater (oft auch: "quantum repeater") ist wichtiger Baustein für Quantenkommunikation über große Distanzen. Wie beim (klassischen) Repeater in der digitalen Kommunikationstechnik werden zwischen Sender und Empfänger Repeater eingesetzt. Empfängt der Quantenrepeater ein Signal (in diesem Fall in einem bestimmten verschränkten Zustand präparierte Quantensysteme) bereitet er es auf und sendet das Signal weiter. Durch die Verwendung von Repeatern in der Leitung (z.B. Glasfaser) zwischen Sender und Empfänger kann trotz Rauschen und Verlusten ein reiner verschränkter Zustand generiert werden, der dann mittels Quantenteleportation die rauschfreie Übermittlung von Quanteninformation ermöglicht. Bisher wurden Quantenverstärker in verschiedenen Proof of Concept-Experimenten demonstriert.^[1]

Das Konzept des Quantenrepeaters wurde 1998 von Hans-Jürgen Briegel, Wolfgang Dür, Juan Ignacio Cirac und Peter Zoller eingeführt.^[2] Das zentrale Problem beim Design eines Repeaters für Quanteninformation ist die sich aus dem Superpositionsprinzip ergebende Tatsache, dass Quanteninformation nicht kopiert werden kann (No-Cloning-Prinzip). Es wird von Briegel et al. dadurch gelöst, dass nicht wie im klassischen Fall das zu sendende Signal (d.h. ein beliebiger, unbekannter Quantenzustand) verstärkt wird, sondern der Repeater zum Aufbau eines bekannten maximal verschränkten Zustands verwendet wird, der dann in einem zweiten Schritt mittels Quantenteleportation zur Übermittlung von Quanteninformation genutzt wird.

Prinzip des Entanglement Swapping

Prinzip der Verschränkungsreinigung

Zwischen den Stationen von Sender A(lice) und dem Empfänger B(ob) befinden sich eine Reihe von Repeaterstationen R₁,R₂,..., die jeweils klassische und quantenmechanische Signale empfangen, verarbeiten und senden können. Das Quantenrepeater-Protokoll zum Aufbau maximal verschränkter Zustände besteht aus einer Kombination von drei Bestandteilen: (1) der Erzeugung von verschränkten Zuständen zwischen benachbarten Stationen, (2) dem entanglement swapping (etwa: Verschränkungs-Austausch, vgl. Skizze) mit dem Verschränkung über größere Distanzen erzeugt wird und (3) der Verschränkungsdestillation (oder -reinigung, vgl. Skizze)^[3] mit der aus vielen schwach verschränkten Zuständen wenige, aber stark verschränkte erzeugt werden kann. Da entanglement swapping nur mit stark verschränkten Zuständen funktioniert, die Verschränkung bei jedem Swapping aber abnimmt, müssen die Schritte (2) und (3) im Wechsel vorgenommen werden, um große Distanzen zu überbrücken.

Unter geeigneten Bedingungen ermöglicht der Quantenrepeater trotz mit der Entfernung exponentiell wachsender Verluste die Kommunikation mit nur polynomial zunehmenden Ressourcen (d.h. Dauer, Zahl der Stationen, Zahl der benötigten Qubits und Messungen). Der Quantenrepeater stellt eine bestimmte Form der Quantenfehlerkorrektur dar.

Seit dem Vorschlag des ersten Repeaterprotokolls hat es eine Vielzahl von Varianten, Verbesserungen und Implementationsvorschlägen gegeben, in denen es insbesondere darum ging, die Anforderungen bezüglich der Zahl der in der Repeaterstationen gleichzeitig zu speichernden Qubits und der Qualität der dafür nötigen Quantenspeicher zu reduzieren. Die derzeit vielversprechendste physikalische Implementierung verwendet den Polarisationszustand einzelner Photonen als mobiles Qubit und ein polarisiertes Ensemble kalter Atome als Quantenspeicher.^[4]

Weblinks

• proPhysik.de: Ein stabiler Quanten-Repeater

Referenzen

1. ↑ Z.-S. Yuan et al.: Experimental demonstration of a BDCZ quantum repeater node. In: Nature. 454, 2008, S. 1098. doi:10.1038/nature07241. arXiv:quant-ph/0803.1810.
2. ↑ H.-J. Briegel et al.: Quantum Repeaters: The Role of Imperfect Local Operations in Quantum Communication. In: Phys. Rev. Lett.. 81, 1998, S. 5932–5935. arXiv:quant-ph/9803056.
3. ↑ Dagmar Bruß: Quanteninformation. Fischer Taschenbuch Verlag, Frankfurt am Main 2003, ISBN 3-596-15563-0, S. 105ff
4. ↑ L.-M. Duan et al.: Long-distance quantum communication with atomic ensembles and linear optics. In: Nature. 414, 2001, S. 413. doi:10.1038/35106500. arXiv:quant-ph/0105105.