Eines der größten Mysterien der Quantenmechanik ist und bleibt die Verschränkung. Darunter versteht man – vereinfacht gesagt: Die Einzelteile eines zusammengesetzten Systems sind auch über eine große Distanz so miteinander verbunden, dass sie sich nicht mehr unabhängig voneinander beschreiben lassen. Es scheint dann so, als ob die einzelnen Teilchen auf eine rätselhafte Art im Moment der Messung ihr Verhalten aufeinander abstimmen. Einem Team unter der Leitung von Benjamin Lanyon vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation in Österreich und Tracy Northup von der Universität Innsbruck ist es nun gelungen, zwei Ionen über eine Distanz von 230 Meter Luftlinie miteinander zu verschränken, wie sie in den »Physical Review Letters« berichten. Das Experiment zeigt, dass gefangene Ionen viel versprechende Kandidaten für ein künftiges Quanteninternet sind, das sich eines Tages über Städte und schließlich ganze Kontinente erstrecken könnte.

Anders als bei der klassischen Variante des Internets, bei der Informationen zwischen zwei Computern über Millionen von Photonen übertragen werden, lassen sich Quanteninformationen nicht kopieren. Deshalb ist eine Informationsübertragung wie in einem klassischen Netzwerk nicht mehr möglich. Vielmehr muss ein Transfer der empfindlichen Quantenzustände über große Entfernungen mittels verschränkter Quantenobjekte von einem zum anderen Knoten erfolgen. Solche Quantennetzwerke könnten eines Tages leistungsstarke neue Anwendungen möglich machen, wie etwa abhörsichere Kommunikation, verteiltes Rechnen und extrem präzise Zeitmessung mit Atomuhren.

Um den jeweiligen Quantenzustand auszulesen und mit einem entfernten Beobachter abzugleichen, wird ein »klassischer« Informationskanal, etwa eine Funk- oder Glasfaserverbindung, benötigt. Entsprechend wird die Relativitätstheorie, die besagt, dass Nachrichten maximal mit Lichtgeschwindigkeit verschickt werden können, nicht verletzt. Die Quantenverschränkung spielt auch eine entscheidende Rolle bei Berechnungen auf einem Quantencomputer und ist einer der Gründe, weshalb diese Geräte – zumindest theoretisch – gewisse Aufgaben besser und schneller bewältigen sollen als herkömmliche Rechner.

Die beiden miteinander verschränkten Ionen der Innsbrucker Forschenden waren in zwei verschiedenen Labors auf dem Campus untergebracht. Sie bilden somit die Knoten eines rudimentären Quantennetzwerks. Dass es möglich ist, solche Quantenbits, auch Qubits genannt, überhaupt über längere Strecken als nur ein paar Zentimeter oder Meter miteinander zu verschränken, haben in der Vergangenheit bereits mehrere Arbeitsgruppen gezeigt – allerdings mit anderen Technologien, darunter Quantenpunkte in Halbleiterstrukturen, supraleitende Schaltkreise und neutrale Atome. Den Rekord hält ein Team von der LMU München. Sie verschränkten zwei Rubidiumatome über eine Distanz von 33 Kilometern. Auch wenn die Entfernung der Innsbrucker Arbeitsgruppe kürzer ist, bieten die verwendeten gefangenen Ionen als Knoten des Quanteninternets gegenüber den anderen Optionen Vorteile: Sie sind stabiler und eignen sich entsprechend gut für Multiqubit-Operationen, was komplexere Berechnungen ermöglichen könnte.

Im vorliegenden Experiment werden die Qubits dadurch realisiert, dass zwei Laser mit unterschiedlichen Wellenlängen je einen langlebigen Zustand eines Kalziumions anregen können. Mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 Prozent befindet sich das Ion danach entweder in dem einen oder dem anderen Zustand. Anschließend sendet das Ion ein Photon aus, das mit einem der beiden möglichen Endzustände verschränkt ist. Um den Prozess zu verstärken, wird das Ion in einem optischen Resonator gefangen gehalten. Dabei handelt es sich um zwei Spiegel, die die Photonen hin- und herreflektieren, sodass sie viele Male mit dem Ion interagieren. Dieser Vorgang wird mit beiden Ionen an den unterschiedlichen Standorten durchgeführt. Um die beiden Ionen über die Distanz miteinander zu verschränken, schickte das Team das Photon des eines Ions durch eine 510 Meter lange Glasfaserleitung zu einem Strahlteiler in der Nähe des anderen Ions, wo sie entweder durchgelassen oder reflektiert wurden. Die Verschränkung war erfolgreich, wenn die Forschenden anschließend ein Photonenpaar mit entgegengesetzter Polarisation nachweisen konnten. Dann nämlich hatten sie einen verschränkten Zustand erzeugt, in dem sich die beiden Ionen in unterschiedlichen Energiezuständen befanden.

»Es ist das längste Projekt, an dem ich je beteiligt war«, sagt Quantenphysikerin Tracy Northup. Die Idee dazu habe es bereits im Jahr 2014 gegeben. Seitdem sei der experimentelle Aufbau erdacht und perfektioniert worden. Doch erst im Sommer 2021 gab es erste analysierbare Ergebnisse. »Eine besondere Herausforderung war es, effizient und zuverlässig verschränkte Photonen zu erzeugen«, sagt Northup. Ein Schlüsselfaktor dafür sei der optische Resonator gewesen. Eine weitere Besonderheit: Im Gegensatz zu früheren Experimenten mit gefangenen Ionen manipulierten sie die beiden Qubits mit separaten Kontrollsystemen in getrennten Laboren. Das zeige, dass sie die Herausforderungen der Zeit-, Frequenz- und Phasenstabilisierung überwinden können, die sich auf reale Anwendungen auswirken würden.

Die nächsten Schritte der Gruppe werden nun sein, zunächst die Distanz und anschließend die Zahl der verschränkten Qubits zu vergrößern. »Wir wissen jetzt, dass das Konzept funktioniert«, sagt Ben Lanyon. »Nun können wir davon träumen, in nicht allzu ferner Zukunft ein echtes Netzwerk mit mehreren Knoten zu etablieren und tatsächlich Informationen quantenverschlüsselt zu übertragen.« Bis zu einem richtigen Quanteninternet, das aus zahlreichen Knotenpunkten besteht, ist es allerdings noch ein weiter Weg.