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. Das Konzept des Quantenrepeaters wurde 1998 von Hans-Jürgen Briegel, Wolfgang Dür, Juan Ignacio Cirac und Peter Zoller eingeführt.[1] Da aber im Gegensatz zu klassischen Signalen bei einem quantenmechanischen Zustand das Verstärken oder Kopieren des Signals nicht möglich ist (No-Cloning-Prinzip), beruht der Quantenrepeater auf Quantenverschränkung, dem Prinzip des entanglement swapping (etwa: Verschränkungs-Austausch, vgl. Skizze) und der Verschränkungsdestillation (oder -reinigung, vgl. Skizze).[2]

Prinzip des Entanglement Swapping
Prinzip der Verschränkungsreinigung

Zwischen den Stationen von Sender Alice und dem Empfänger Bob befinden sich eine Reihe von Repeaterstationen , die jeweils klassische und quantenmechanische Signale empfangen, speichern, und senden können. Das Speichern von quantenmechanischen Zuständen erfolgt in einem Quantenspeicher. Für das Quantenrepeater-Protokoll werden zunächst Zustände in Quantenspeichern benachbarter Repeaterstationen verschränkt. Jetzt teilt jede der inneren Repeaterstationen mindestens zwei verschränkte Zustände, einen mit jedem Nachbarn. Solch ein Paar verschränkter Zustände ermöglicht das entanglement swapping zur Erzeugung von Verschränkung zwischen Zuständen der Nachbarstationen. Durch entanglement swapping an jeder Station wird Verschränkung zwischen der ersten und der letzten Repeaterstation erzeugt, welche dann die verlustfreie Übertragung von Quantenzuständen via Quantenteleportation von Alice zu Bob ermöglicht. Mögliche Fehler der Verschränkungserzeugung und des entanglement swapping können durch die Erzeugung redundanter verschränkter Paare und Verschränkungsdestillation aufgefangen werden.

Unter geeigneten Bedingungen ermöglicht d​er Quantenrepeater t​rotz mit d​er Entfernung exponentiell wachsender Verluste d​ie Kommunikation m​it nur polynomial zunehmenden Ressourcen (d. h. Dauer, Zahl d​er Stationen, Zahl d​er benötigten Qubits u​nd Messungen). Der Quantenrepeater stellt e​ine bestimmte Form d​er Quantenfehlerkorrektur dar. Seit d​em Vorschlag d​es ersten Repeaterprotokolls h​at es e​ine Vielzahl v​on Varianten, Verbesserungen u​nd Implementationsvorschlägen gegeben, i​n denen e​s insbesondere d​arum ging, d​ie Anforderungen bezüglich d​er Zahl d​er in d​er Repeaterstationen gleichzeitig z​u speichernden Qubits u​nd der Qualität d​er dafür nötigen Quantenspeicher z​u reduzieren. Obwohl a​lle einzelnen Schritte d​ie für e​inen Quantenrepeater benötigt werden s​chon experimentell gezeigt werden konnten[3][4] i​st es b​is jetzt n​icht gelungen e​inen kompletten Quantenrepeater z​u verwirklichen.

Referenzen
  1. 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.
  2. Dagmar Bruß: Quanteninformation. Fischer Taschenbuch Verlag, Frankfurt am Main 2003, ISBN 3-596-15563-0, S. 105ff
  3. Yu-Ao Chen, Bo Zhao, Shuai Chen, Jörg Schmiedmayer, Jian-Wei Pan: Experimental demonstration of a BDCZ quantum repeater node. In: Nature. Band 454, Nr. 7208, August 2008, ISSN 1476-4687, S. 1098–1101, doi:10.1038/nature07241 (nature.com [abgerufen am 5. September 2019]).
  4. R. Hanson, M. Markham, D. J. Twitchen, S. C. Benjamin, N. H. Nickerson: Entanglement distillation between solid-state quantum network nodes. In: Science. Band 356, Nr. 6341, 2. Juni 2017, ISSN 0036-8075, S. 928–932, doi:10.1126/science.aan0070, PMID 28572386 (sciencemag.org [abgerufen am 5. September 2019]).
This article is issued from Wikipedia. The text is licensed under Creative Commons - Attribution - Sharealike. The authors of the article are listed here. Additional terms may apply for the media files, click on images to show image meta data.