Forscher übertragen 10,5 Bit mit einem Photon

Spezialalphabet und Detektortrick dienen besserer Quantenkommunikation. [...]

Forscher der Universität Twente haben es geschafft, mit einem einzelnen Photon mehr als zehn Bit Information zu übertragen. Möglich machen das ein spezieller Zeichensatz sowie ein cleverer Trick, um wirklich einzelne Lichtteilchen zu messen. Der in „Optics Express“ beschriebene Ansatz ist für die Quantenkommunikation interessant. Theoretisch könnte ein Photon sogar beliebig viel Information enthalten, in der Praxis sind dem aber deutlich engere Grenzen gesetzt.

Mehr als 0 und 1
Auf den ersten Blick scheint klar, dass ein Lichtteilchen ein Bit Information (0 oder 1) transportieren kann. Doch in der Quantenwelt geht theoretisch viel mehr. In der Praxis viel Information in ein Photon zu packen, ist jedoch schwierig. Das Team um Physikprofessor Pepijn Pinkse hat nun eine Methode entwickelt, mit der die Forscher ganze 10,5 Bit in ein Photon packen. „Man kann das damit vergleichen, mit einem Laserpointer auf Buchsstaben auf einer Tafel zu leuchten. Der beleuchtete Buchstabe ist dann die im Licht enthaltene Information“, beschreibt er den Ansatz. Wie viel Information genau im Licht steckt, hänge dann von der Zahl der Buchstaben ab.

Pinkse und sein Team haben ein Alphabet aus 9.072 Zeichen erstellt, um Information in einem Photon zu transportieren. Die größte Schwierigkeit war, diese einzelnen Photonen auch rauschfrei zu detektieren. Um das zu ermöglichen, haben die Forscher ausgenutzt, dass ein blaues Lichtteilchen in genau zwei rote zerfallen kann. Eines dieser roten Photonen dient dann quasi als Auslöser, damit der Detektor, im Prinzip eine Digitalkamera, genau in dem Moment kurz öffnet, in dem das zweite ankommt. Dieses wurde zuvor mittels Spiegeln so abgelenkt, dass es eines der 9.072 Zeichen beleuchtet hat – also Information transportiert.

Praktische Grenzen
Wie viel Information derart mit einem Photon übertragen werden könnte, ist schwer festzumachen. Theoretisch gibt es bei dem Ansatz mit einem ausreichend großen Alphabet keine Grenzen. „Aber selbst wenn man ein Alphabet schaffen könnte, das so viele Zeichen hat wie das Universum Atome, könnte man nur 270 Bit mit einem Photon übertragen“, sagt Pinkse.

Für praktische Anwendungen ist es freilich schon interessant, überhaupt mehr als ein Bit mit einem Photon zu transportieren. Speziell sei dies für die Quantenkommunikation relevant. „Desto mehr Information man mit einem Photon überträgt, desto schneller und sicherer wird Quantenkommunikation“, erklärt Pinkse.