16.12.2022 | Quantum entanglement

World record for quantum entanglement in optical fibers

Physicists from the Austrian Academy of Sciences have succeeded for the first time in entangling photons over 248 kilometers of optical fiber. For quantum communication, this is a new long-distance record and a significant step on the way to the quantum internet. Previously, the maximum distance was 100 kilometers.

© ÖAW/Harald Ritsch

Einmal mehr haben Wissenschaftler:innen des Wiener Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) einen neuen Weltrekord bei der Quantenverschränkung aufgestellt: Erstmals ist es gelungen, verschränkte Photonen, also Lichtteilchen, über 248 Kilometer verlegte Glasfaser zu schicken. Die bisherige Rekorddistanz über knapp 100 Kilometer aus dem Jahr 2019 wurde somit mehr als verdoppelt. Details wurden jetzt im Fachmagazin Nature Communications publiziert.

Ziel des jüngsten Experiments war die Erstellung eines ersten Knotens im QUAPITAL-Netzwerk, einem Forschungsprojekt für ein zentraleuropäisches Quanteninternet. Quantennetzwerke versprechen absolut abhörsichere Kommunikation und leistungsstarke verteilte Sensornetzwerke für Forschung und Technologie – sie gelten als Kommunikationswege der Zukunft. Bahnbrechende Vorarbeiten hat in diesem Bereich auch Nobelpreisträger Anton Zeilinger geleistet.

"Spukhafte Fernwirkung" St. Pölten bis Bratislava

Im Rahmen des QUAPITAL-Projekts schickte ein Sendeapparat in Wien stabil über mehrere Tage Quantenzustände nach Sankt Pölten und Bratislava. Dort wurden sie gemessen und ihre quantenphysikalischen Eigenschaften nachgewiesen. Dabei wurde eine Quelle für verschränkte Photonenpaare im Keller des Physikinstituts der Universität Wien an zwei bereits verlegte Glasfasern angeschlossen. Die beiden je zirka 125 Kilometer langen Faserleitungen führten zu Empfangsstationen in der Nähe von Sankt Pölten sowie in der Slowakischen Akademie der Wissenschaften in Bratislava.

„Quantenverschränkung ermöglicht es, sogenannten korrelierten Zufall zu erzeugen. Das ist, als ob zwei Münzen, die an verschiedenen Orten – in unserem Fall Sankt Pölten und Bratislava – geworfen werden, stets auf dieselbe Seite fallen“, erklärt Rupert Ursin, wissenschaftlicher Leiter des Projekts an der ÖAW. Dieser von Einstein als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnete Effekt sei nicht nur aus physikalischer Sicht interessant, sondern habe ganz konkrete Anwendungen. Die auch kommerziell ausgereifteste davon ist die verschlüsselte Datenübertragung mithilfe von Quantentechnologie. Bei dieser sogenannten Quantenkryptographie können die „Münzwürfe“ dazu verwendet werden, Nachrichten prinzipiell unknackbar zu verschlüsseln. Aber auch die Verknüpfung von zukünftigen Quantencomputern wird durch die Übertragung von Verschränkung ermöglicht.

Wichtige Voraussetzung für zukünftiges Quanteninternet

Sebastian Neumann, ÖAW-Erstautor der Publikation und mit der Durchführung des Experiments betraut, schildert die größten Herausforderungen: „Im Unterschied zum ‚normalen‘ Internetsignal können Quantenzustände nicht am Weg ausgelesen und verstärkt werden. Dadurch werden die Leitungsverluste zu einem Problem, weil nur etwa jedes hundertmillionste weggeschickte Photonenpaar auch tatsächlich an den Detektoren ankommt.“

Dementsprechend hoch müsse die Rate der in Wien erzeugten Photonen sein. „Dafür haben wir eine spezielle Photonenquelle konstruiert, über die wir sogar eigens publiziert haben“, sagt Neumann. Weiters müsse das Signal gegen Temperaturschwankungen in der Faser unempfindlich gemacht werden, wofür ein eigenes Stabilisierungssystem ersonnen wurde. Dies ermöglicht einen ununterbrochenen Betrieb der Leitung, eine weitere wichtige Voraussetzung für ein zukünftiges Quanteninternet.

Für die Erforschung der Quantenverschränkung mit Photonen wurde Anton Zeilinger am 10. Dezember mit dem Nobelpreis für Physik bedacht. Österreichische Forschung zur Quantenphysik, wie sie an der ÖAW betrieben wird und an der auch Zeilinger forscht, befindet sich hier im internationalen Spitzenfeld.

Once again, scientists at the Institute for Quantum Optics and Quantum Information Vienna of the Austrian Academy of Sciences (OeAW) have set a new world record in quantum entanglement: For the first time, entangled photons, i.e., light particles, have been sent over 248 kilometers of laid optical fiber. The previous record distance of almost 100 kilometers from 2019 was therefore more than doubled. Details have now been published in the journal Nature Communications.

The aim of the latest experiment was to create a first node in the QUAPITAL network, a research project for a Central European quantum internet. Quantum networks promise completely tap-proof communication and powerful distributed sensor networks for research and technology – they are considered the communication channels of the future. Pioneering groundwork in this area was also carried out by Nobel Prize winner Anton Zeilinger.

“SPOOKY LONG-DISTANCE EFFECT” FROM SANKT PÖLTEN TO BRATISLAVA

As part of the QUAPITAL project, a transmitter in Vienna sent quantum states to Sankt Pölten and Bratislava for several days. There they were measured and their quantum physical properties were verified. A source of entangled photon pairs in the basement of the Physics Institute of the University of Vienna was connected to two optical fibers that had already been laid. The two fiber lines, each approximately 125 kilometers long, led to receiving stations near Sankt Pölten and in the Slovak Academy of Sciences in Bratislava.

“Quantum entanglement makes it possible to generate so-called correlated randomness. It’s as if two coins that are tossed in different places – in our case Sankt Pölten and Bratislava – always fall on the same side,” explains Rupert Ursin, scientific head of the project at the OeAW. This effect, described by Einstein as “spooky action at a distance”, is not only interesting from a physics point of view, but also has specific applications. The most commercially mature of these is encrypted data transmission using quantum technology. With this so-called quantum cryptography, the “coin tosses” can be used to encrypt messages in a way that is unhackable. The transmission of entanglement will also allow future quantum computers to be connected.

IMPORTANT PREREQUISITES FOR FUTURE QUANTUM INTERNET

Sebastian Neumann, OeAW first author of the publication and in charge of conducting the experiment, describes the greatest challenges: “Unlike the ‘normal’ internet signal, quantum states cannot be read out and amplified along the way. As a result, line losses become a problem because only about every hundred millionth photon pair sent out actually arrives at the detectors.”

The rate of photons generated in Vienna therefore has to be high. “For this we constructed a special photon source, which we published separately,” Neumann says. Furthermore, the signal had to be made insensitive to temperature fluctuations in the fiber, for which a special stabilization system was devised. This allows for uninterrupted operation of the line, another important requirement for a future quantum internet.

On December 10th, Anton Zeilinger was awarded the Nobel Prize in Physics for his research into quantum entanglement with photons. Austrian research on quantum physics as it is carried out at the OeAW, where Zeilinger is also researching, is among the best in the world.

 

Auf einen Blick

Publications
„Continuous entanglement distribution over a transnational 248 km fiber link“, Sebastian Philipp Neumann, Alexander Buchner, Lukas Bulla, Martin Bohmann & Rupert Ursin, Nature Communications, 2022
DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-022-33919-0

„Experimental entanglement generation for quantum key distribution beyond 1 Gbit/s – Quantum“, Sebastian Philipp Neumann, Mirela Selimovic, Martin Bohmann & Rupert Ursin, Quantum, 2022
DOI: https://doi.org/10.22331/q-2022-09-29-822

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