In einem Bit ist Platz für ein Bit, oder? Dieser Grundsatz der Informationstheorie gilt nicht mehr, wenn die Quantenphysik ins Spiel kommt. Ihr zufolge kann man eine Folge zweier Bits – also die Ziffern 00, 01, 10 oder 11 – mit nur einem Quantenbit (Qubit) verschicken. Erdacht haben diese Möglichkeit die Physiker Charles H. Bennett und Stephen J. Wiesner im Jahr 1992. Seitdem versuchen Wissenschaftler, den als "superdichte Kodierung" bekannten Kniff im Labor umzusetzen.

Drei US-Forscher haben dabei nun einen neuen Rekord aufgestellt. Das Team um Brian P. Williams vom Oak Ridge National Laboratory konnte durchschnittlich 1,67 Bits auf einem Kanal übertragen, durch den bloß ein einzelnes Photon passt. Anders als konkurrierende Gruppen nutzten die Forscher dafür ein Glasfaserkabel, das eine gute Basis für Quantennetzwerke wäre, würdigt die renommierte Fachzeitschrift "Physical Review Letters" die Arbeit.

Photonen sind Lichtteilchen und die designierten Datenübermittler in Quantennetzwerken. Man kann sich Photonen auch als Welle vorstellen, die sich im Raum ausbreitet. Mit Filtern vermögen Experimentatoren der Welle eine bestimmte Schwingungsrichtung vorzugeben, Physiker sprechen von Polarisation. Auf diese Weise wird aus einem Photon ein Qubit: Schwingt die Welle in die eine Richtung, entspricht es einer "0", schwingt es in die andere, repräsentiert es eine "1".

Spukhafte Fernwirkung

In Quantennetzwerken wollen Physiker eine weitere Besonderheit des Mikrokosmos ausnutzen: Sie koppeln zwei Photonen aneinander und entfernen beide anschließend voneinander. Bei dieser Verschränkung, die Albert Einstein als "spukhafte Fernwirkung" verspottete, sind die Polarisationen der zwei Teilchen auch über große Entfernungen verbunden. Verändert man die Schwingungsrichtung des einen Photons, ändert sich auch die des anderen.

Für die superdichte Kodierung muss eine solche Verschränkung zwischen zwei Seiten einer Leitung bestehen. Auf der einen Seite kann Bob ein Photon messen, ändern und verschicken, auf der anderen Seite verfügt Alice über ein mit diesem Lichtteilchen verschränktes Photon. Bob kann nun den Zustand seines Qubits gezielt verändern, wodurch bei manchen Operationen auch Alices Photon den Zustand wechselt.

Insgesamt kann Bob die zwei verschränkten Teilchen in vier mögliche Zustände versetzen. In Bit-Sprache übersetzt sind das die Binärwerte 00, 01, 10 und 11. Sendet Bob nun sein Photon an Alice, kann sie die Zustände des Photonenpaars messen, Physiker sprechen von einer Analyse des Bell-Zustands. Gelingt sie, ist Bob etwas Außergewöhnliches geglückt: Er hat mit einem Photon – beziehungsweise einem Qubit – zwei Bits übertragen.

Schwer zu messen

Die Realisierung dieses Gedankenexperiments hat jedoch mit einigen Problemen zu kämpfen. So ist es für den Empfänger der Nachricht nicht leicht, die Zustände der zwei Photonen sauber zu messen. Prinzipiell ginge dies mit Hilfe so genannter nichtlinearer Kristalle, aber mit diesen sind Messungen recht unzuverlässig. Besser wäre es, den Zustand der Photonen mit Linsen, Spiegeln und Filtern – so genannten linearen Optiken – zu bestimmen. Aber mit diesen kann Alice bloß drei der vier Bell-Zustände erkennen.

Lange galt ein Wert von 1,59 Bits pro Photon-Kanal als maximal erreichbarer Höchstwert. Im Jahr 2008 fanden Physiker der University of Illinois schließlich eine Möglichkeit, diese Grenze für lineare Optiken zu überschreiten: Sie bedienten sich des Phänomens der "Hyper-Verschränkung", bei dem noch eine zweite Quanteneigenschaft zweier Photonen gekoppelt wird. Das Team aus Illinois verband beispielsweise Spin UND Drehmoment zweier Teilchen – und erreichte so einen Übertragungswert von 1,63 Bits pro Kanal.

Die nun erschienene Arbeit der Forscher vom Oak Ridge National Laboratory geht einen ähnlichen Weg, um den neuen Rekord von 1,67 Bits aufzustellen. Die Physiker verschränkten neben der Polarisation zweier Photonen auch noch deren Ankunftszeit, die sie mit Hilfe eines zwischengeschalteten Interferometers gezielt bestimmen konnten.

Letztlich schickten die Forscher ein 3,4 Kilobyte großes Bild durch das zwei Meter lange Glasfaserkabel. Immerhin 87 Prozent der so gesendeten Daten kamen intakt beim Empfänger an.