Verschränkte Photonen haben eine 24,4 Kilometer lange Glasfaser zwischen Evanston und der Innenstadt von Chicago durchquert, während dieselbe Faser gleichzeitig regulären kommerziellen Datenverkehr transportierte. Die Verschränkungstreue lag danach bei 94,2 Prozent und damit praktisch auf dem Wert, den dieselbe Strecke ohne fremden Datenverkehr liefert. Damit ist erstmals gezeigt, dass Quantensignale und volle klassische Last dieselbe verlegte Leitung teilen können. Für den Aufbau künftiger Quantennetze verschiebt das eine zentrale Voraussetzung.
Quantenverschränkung bezeichnet einen Zustand, in dem zwei Teilchen nur noch gemeinsam beschrieben werden können. Misst man an einem der beiden Photonen eine Eigenschaft wie die Polarisation, liegt das Ergebnis des Partners fest, unabhängig davon, wie weit beide voneinander entfernt sind. Übertragen lässt sich dieser Zustand über Glasfaser, allerdings ist das Signal denkbar schwach, denn es besteht aus einzelnen Lichtteilchen. Eine klassische Datenleitung arbeitet dagegen mit Lichtpulsen, die um viele Größenordnungen stärker sind. Streuprozesse im Glas erzeugen aus diesen starken Pulsen zusätzliche Photonen, die in den Detektoren als Rauschen ankommen und die empfindliche Messung zerstören können. Bisherige Demonstrationen wichen deshalb meist auf unbenutzte Fasern aus, sogenannte Dark Fibres, die eigens für den Versuch reserviert wurden.
Genau daran hängt die Wirtschaftlichkeit der gesamten Technologie. Ein Quanteninternet soll künftig abhörsichere Schlüsselverteilung, verteilte Rechenknoten und hochpräzise Zeitsynchronisation ermöglichen. Müsste dafür jedes Mal eine eigene Leitung freigehalten oder neu verlegt werden, wären Aufbau und Betrieb in dicht besiedelten Regionen kaum zu bezahlen, denn Glasfaserkapazität ist ein knappes und teures Gut. Die entscheidende Frage lautet deshalb seit Jahren, ob sich beide Welten physikalisch trennen lassen, ohne die Faser zu trennen. Ansätze dafür setzen an der Wellenlänge an, denn eine Glasfaser überträgt ein breites Spektrum, und klassische Netze nutzen davon nur einen bestimmten Ausschnitt. Der Rest steht grundsätzlich zur Verfügung, sofern Filterung und Zeitmessung präzise genug sind.
Das Team der Northwestern University um Prem Kumar setzte die Quantensignale in das sogenannte O-Band, während der kommerzielle Verkehr im üblichen C-Band lief. Beide Anteile wurden über einen Wellenlängenmultiplexer in dieselbe verlegte Faser eingekoppelt, die Evanston mit einem Standort in der Innenstadt von Chicago verbindet. Auf der Empfangsseite trennten enge Filter das Quantensignal wieder heraus, supraleitende Nanodraht-Detektoren registrierten die einzelnen Photonen, und eine optische Synchronisation ordnete jedem Nachweis einen Zeitstempel im Bereich weniger Pikosekunden zu. Nur diese zeitliche Schärfe macht es möglich, echte Partnerphotonen von Streuereignissen zu unterscheiden. Nach Darstellung der beteiligten Ingenieurfakultät entsprach die gemessene Güte dem Referenzwert ohne Datenverkehr, das Rauschen ließ sich also wirksam unterdrücken.
Der praktische Kern der Arbeit liegt weniger in der Distanz als in der Umgebung. Zwei räumlich getrennte, unabhängig synchronisierte Knoten tauschten Verschränkung über eine Leitung aus, die zugleich als produktive Datenstrecke lief. Damit wird das bestehende Glasfasernetz zum möglichen Träger von Quantenanwendungen, ohne dass neue Kabel verlegt werden müssen. Besonders relevant ist das für die Schlüsselverteilung, denn deren Sicherheitsversprechen beruht darauf, dass jeder Abhörversuch den Quantenzustand messbar stört. Parallel bereitet sich auch die klassische Kryptografie auf die Rechenleistung künftiger Quantencomputer vor, etwa wenn ein neuer Bitcoin-Adresstyp den öffentlichen Schlüssel gar nicht mehr offenlegt und damit eine bekannte Angriffsfläche schließt.
Ein Netz entsteht aus dieser Demonstration noch nicht. Verschränkung zu verteilen ist der erste von zwei Schritten, der zweite ist die Quantenteleportation, bei der ein unbekannter Zustand mithilfe der verteilten Verschränkung auf einen entfernten Knoten übertragen wird. Genau das plant die Gruppe als nächsten Versuch, diesmal ebenfalls über eine Strecke unter kommerzieller Last. Offen bleiben außerdem Speicher, die Quantenzustände lange genug festhalten, sowie Verstärkerknoten, denn Photonen lassen sich nicht wie klassische Signale einfach auffrischen. Auch die Reichweite ist begrenzt, weil die Verluste in der Faser mit der Länge exponentiell wachsen. Wie empfindlich Quantenzustände auf ihre Umgebung reagieren, zeigt die Grundlagenforschung an ganz anderer Stelle, etwa an einem Protein-Qubit im Inneren lebender Zellen, das seinen Zustand in einer denkbar unruhigen Umgebung hält.
Einzuordnen ist das Ergebnis als Feldversuch, nicht als Produkt. Gemessen wurde über eine einzelne Strecke mit zwei Knoten, während ein reales Netz aus vielen Abschnitten, Verzweigungen und wechselnden Lasten besteht. Auch die Detektoren arbeiten bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt und sind damit aufwendig im Betrieb. Die Vorarbeit stammt aus einem Laborexperiment desselben Teams, bei dem Teleportation über rund 30 Kilometer aufgewickelter Faser neben einem starken Datenstrom gelang. Der Schritt auf eine verlegte, kommerziell genutzte Leitung schließt die Lücke zwischen Labor und Infrastruktur, und die vollständige Untersuchung in der Fachzeitschrift Optica Quantum dokumentiert die dafür nötigen Filter- und Synchronisationsparameter im Detail.
Optica Quantum, Quantum entanglement distribution coexisting with high-rate, broadband classical optical communications over a real-world fiber connecting remote, synchronized nodes; doi:10.1364/OPTICAQ.592786