Doch was ist daran so besonders? Um das zu verstehen, lohnt sich ein Blick in die seltsame Welt der Quantenphysik. Dort gelten Regeln, die unserer Alltagserfahrung widersprechen. Licht besteht aus winzigen Energiepaketen, sogenannten Photonen. Diese können miteinander quantenmechanisch verschränkt sein. Vereinfacht bedeutet das, dass sich bestimmte Eigenschaften der Teilchen nicht mehr unabhängig voneinander beschreiben lassen. Stattdessen bilden sie einen gemeinsamen Quantenzustand.

Genau diese Eigenschaft wollen Forschende für die Kommunikation der Zukunft nutzen. Denn verschränkte Photonen könnten eines Tages dabei helfen, Informationen besonders sicher zu übertragen oder Quantencomputer miteinander zu verbinden. Das Problem: Solche empfindlichen Zustände lassen sich im Labor erzeugen und untersuchen, doch auf längeren Übertragungswegen können Verluste und Störungen die Nutzung erheblich erschweren.

Dem Team um Professor Michael Kues vom Exzellenzcluster PhoenixD ist nun ein wichtiger Durchbruch gelungen. Die Forschenden erzeugten einen sogenannten Clusterzustand, bei dem mehrere Quanteninformationseinheiten miteinander verschränkt sind. Das Besondere: Sie verteilten vier solcher Informationseinheiten, sogenannte Qubits, auf nur zwei Photonen. Die Informationen wurden dabei unter anderem in unterschiedlichen Ankunftszeiten der Lichtteilchen codiert.

Anschließend ging es auf die Reise. Die Verbindung umfasste insgesamt 29,5 Kilometer Glasfaser, darunter einen 4,5 Kilometer langen Abschnitt bereits verlegter Infrastruktur. Die übrigen 25 Kilometer bestanden aus zusätzlicher Glasfaser. Nach der Übertragung konnten die Forschenden nachweisen, dass die komplexe Verschränkung erhalten geblieben war.

„Bisher wurden diese Clusterzustände ausschließlich unter streng kontrollierten Laborbedingungen untersucht“, erklärt Kues. Für künftige Quantennetzwerke müssten sie jedoch auch über reale Glasfaserverbindungen zuverlässig übertragen werden können.

Dass dies nun gelungen ist, liegt auch an einem technischen Kniff: Statt für jede Quanteninformation ein eigenes Photon zu benötigen, brachten die Forschenden mehrere Informationseinheiten in einem Lichtteilchen unter. Dadurch lässt sich die Zahl der benötigten Photonen reduzieren. Das ist entscheidend, weil auf langen Glasfaserstrecken immer ein Teil des Lichts verloren geht.

Eine weitere Herausforderung wartete am Ende der Leitung. Schließlich mussten die Forschenden feststellen können, ob die verschränkten Zustände tatsächlich erhalten geblieben waren. Dafür entwickelte das Team eine elektro-optische Messmethode, mit der sich die komplexen Informationen gezielt untersuchen lassen.

„Mit dieser Technik können wir sehr komplexe Informationspakete kontrolliert analysieren“, erklärt Doktorand Philip Rübeling, einer der Autoren der Studie. Gemeinsam mit seinem Kollegen Robert Johanning war er maßgeblich an dem Experiment beteiligt.

Und wozu könnte das eines Tages gut sein? Eine mögliche Anwendung ist die besonders sichere Quantenkommunikation. Bestimmte quantenphysikalische Verfahren ermöglichen es, Abhörversuche bei der Übertragung von Schlüsseln zu erkennen. Auch für die Vernetzung von Quantencomputern sind verschränkte Zustände interessant. Statt ausschließlich auf einzelne Rechner zu setzen, könnten künftig mehrere Quantensysteme über größere Entfernungen zusammenarbeiten.

Bis dahin ist allerdings noch viel Forschungsarbeit nötig. Das Experiment aus Hannover ist weder ein fertiges Quanteninternet noch eine unmittelbar einsetzbare Kommunikationstechnik. Es zeigt jedoch, dass sich komplexe Quantenzustände mit Glasfasertechnik übertragen lassen, die mit bestehender Telekommunikationsinfrastruktur kompatibel ist.