Quantenrepeater

QuantenRepeater bezeichnet Technologien und Protokolle, die darauf abzielen, die Reichweite quantenkommunikativer Verbindungen zu erhöhen, indem Verluste, Rauschen und Dekohärenz in Übertragungskanälen überwunden werden. Da sich Quanteninformation gemäß dem No-Cloning-Theorem nicht einfach kopieren oder verstärken lässt, arbeiten QuantenRepeater mit einer Verkettung kurzer Segmente, Speichern in Quantenspeichern und Entanglement-Swapping.

Prinzipiell werden in benachbarten Knoten verschränkte Photonen erzeugt; durch Bell-State-Messungen an den Knoten wird die Verschränkung schrittweise über das gesamte Netzwerk erweitert. Quantenspeicher ermöglichen das Festhalten der Zustände, bis alle Segmente bereit sind; Entanglement-Purification verbessert die Güte der Verbindung. Multiplexing erhöht die effektive Rate durch parallele Versuche.

Architektur: Ein Netzwerk aus Knoten enthält Quantenspeicher, photonische Interfaces, Quellen verschränkter Photonen und Bell-Mess-Einheiten. Die Segmentierung des Kanals reduziert Verluste; Synchronisation und Heralding steuern die Protokollschritte.

Protokolle: Das DLCZ-Protokoll (Duan-Lukin-Cirac-Zoller) legte den Grundstein; neuere Ansätze umfassen fehlerkorrigierte Repeater, all-photonic Repeater-Konzepte und multiplexierte Varianten.

Quantenspeicherarten: Atomare Ensembles, Ionensysteme, seltene-Erden-dotierte Kristalle; Photonenfrequenzen im Telekombereich werden bevorzugt; Multiplexing wird als Schlüssel zur Leistungssteigerung gesehen.

Stand der Technik: Erste Demonstrationen einzelner Repeater-Knoten existieren; umfassende Praxisnetze stehen vor technischen Hürden wie Kohärenzzeiten, Erzeugungs- und Detektionsraten sowie Skalierbarkeit.

Anwendungen: Langfristige Quantenschlüsselverteilung, verteilte Quantenrechnungen und das aufkommende Quanteninternet.