Durchbruch in der Quantenkommunikation: Vom Labor in die städtische Umgebung

Der 19. August 2026 kann als ein wegweisendes Datum in der Geschichte der Entwicklung von Quantentechnologien gelten. Eine Gruppe amerikanischer Physiker aus dem National Institute of Standards and Technology (NIST) und der University of Maryland hat einen Durchbruch erzielt, der das Zeitalter des Quanteninternets der Realität näherbringt. Den Wissenschaftlern ist es zum ersten Mal gelungen, quantenverschränkte Photonen über eine Distanz von 62 Kilometern nicht über speziell vorbereitete Laborleitungen, sondern über gewöhnliche überirdische Glasfaserkabel zu übertragen, die zwischen Gaithersburg und College Park verlegt sind.

Der entscheidende Erfolgsfaktor war die Überwindung des größten Hindernisses der Quantenkommunikation – der Zerbrechlichkeit von Quantenzuständen. Die Verschränkung von Photonen, die die Grundlage für die sichere Datenübertragung und verteilte Quantenberechnungen bildet, ist unter den Bedingungen einer realen städtischen Umgebung extrem schwer aufrechtzuerhalten. Im Gegensatz zu sterilen Laboren ist die städtische Infrastruktur ständigen äußeren Einflüssen ausgesetzt: Wind, Vibrationen durch Verkehr und Temperaturschwankungen, die die Polarisation des Lichts stören.

Technische Details des Experiments und Überwindung von Störungen

Die experimentelle Verbindungsleitung hatte eine einzigartige Besonderheit: Etwa 70 % des Weges durchliefen die Photonen Luftkabel, die an Masten aufgehängt waren. Genau diese Bedingungen schaffen die größte Instabilität und verändern ständig die Doppelbrechung der Faser. Um dieses Problem zu lösen, entwickelten die Forscher ein komplexes System zur aktiven Stabilisierung. Sie nutzten ein Referenz-Lasersignal, das durch dieselbe Faser lief wie die Quantenphotonen, jedoch zu einem anderen Zeitpunkt.

Das System maß kontinuierlich die Verzerrungen der Polarisation der Referenzzustände und stellte sie mithilfe von Algorithmen wieder her, indem es die Übertragungsparameter korrigierte. Wenn die Zuverlässigkeit der Referenzzustände unter 98 % fiel, wurde eine Korrektur auf ein Niveau von über 99 % eingeleitet. Während des 24-Stunden-Experiments verbrachte das System für diese technischen Bedürfnisse nur 7,2 % der Zeit und ließ mehr als 92 % der Zeit für die tatsächliche Übertragung verschränkter Photonen übrig.

Übertragungseffizienz und Implementierungsperspektiven

Der Signalverlust in der Leitung betrug etwa 18 dB, plus weitere 3 dB für Steckverbinder und Geräte. Dennoch konnten die Forscher auf der Empfangsseite etwa 1500 übereinstimmende Photonenpaare pro Sekunde registrieren, was für eine solche Distanz ein signifikantes Ergebnis ist. Für die Registrierung wurden supraleitende Nanodrahtdetektoren mit einer Effizienz von über 70 % verwendet. Die Quelle im NIST erzeugte Photonenpaare im verschränkten Bell-Zustand Φ+ und trennte sie nach Wellenlängen.

Das Hauptergebnis des Experiments besteht darin, dass die vorhandene Kabelinfrastruktur, selbst von niedriger Qualität, die Übertragung verschränkter Zustände unterstützen kann. Dies eröffnet den Weg zur Implementierung von Quantennetzen, ohne dass neue spezialisierte Hauptstrecken verlegt werden müssen. Experten weisen jedoch darauf hin, dass die Datenübertragungsrate für eine kommerzielle Anwendung noch erheblich verbessert werden muss.

Widersprüchliche Daten

Obwohl das Hauptexperiment des NIST in Maryland durchgeführt wurde, tauchen in offenen Quellen und Nachrichtenberichten manchmal Unstimmigkeiten bezüglich der Lokalisierung solcher Errungenschaften auf. Einige Veröffentlichungen, die sich auf ähnliche Forschungen beziehen, erwähnen erfolgreiche Tests in New York. Es ist wichtig zu beachten, dass das in diesem Material beschriebene Experiment eindeutig an die Route zwischen Gaithersburg und College Park gebunden ist. Unterschiede in den Versionen können mit parallelen Projekten anderer Forschungsgruppen zusammenhängen, die an der Anpassung der städtischen Infrastruktur für die Quantenkommunikation arbeiten. Das Ergebnis des NIST war jedoch der erste bestätigte Fall einer Übertragung über überirdische Luftkabel dieser Länge.