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]

Zwischen den Stationen von Sender Alice und dem Empfänger Bob befinden sich eine Reihe von Repeaterstationen ${\displaystyle R_{1},R_{2},\dots ,R_{n}}$, 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 ${\displaystyle R_{2},\dots ,R_{n-1}}$ 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 der Quantenrepeater trotz mit der Entfernung exponentiell wachsender Verluste die Kommunikation mit nur polynomial zunehmenden Ressourcen (d. h. Dauer, Zahl der Stationen, Zahl der benötigten Qubits und Messungen). Der Quantenrepeater stellt eine spezielle Form der Quantenfehlerkorrektur dar. Seit dem Vorschlag des ersten Repeaterprotokolls hat es eine Vielzahl von Varianten, Verbesserungen und Implementationsvorschlägen gegeben, in denen es insbesondere darum ging, die Anforderungen bezüglich der Zahl der in der Repeaterstationen gleichzeitig zu speichernden Qubits und der Qualität der dafür nötigen Quantenspeicher zu reduzieren. Obwohl alle einzelnen Schritte, die für einen Quantenrepeater benötigt werden, schon experimentell gezeigt werden konnten^[3][4][5] ist es bis jetzt nicht gelungen einen kompletten Quantenrepeater zu verwirklichen.

• Quantum Repeaters

1. ↑ H.-J. Briegel u. a.: Quantum Repeaters: The Role of Imperfect Local Operations in Quantum Communication. In: Phys. Rev. Lett. Band 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]). 
5. ↑ V. Krutyanskiy, M. Canteri, M. Meraner, J. Bate, V. Krcmarsky, J. Schupp, N. Sangouard, B. P. Lanyon: Telecom-Wavelength Quantum Repeater Node Based on a Trapped-Ion Processor. In: Physical Review Letters. Band 130, Nr. 21, 22. Mai 2023, ISSN 0031-9007, doi:10.1103/PhysRevLett.130.213601 (aps.org [abgerufen am 24. Mai 2023]).