Die Fähigkeit, Quanteninformationen gemeinsam zu nutzen, ist entscheidend für die Entwicklung von Quantennetzen für verteiltes Rechnen und sichere Kommunikation. Die Quanteninformatik wird für die Lösung einiger wichtiger Probleme nützlich sein, z. B. für die Optimierung von Finanzrisiken, die Entschlüsselung von Daten, die Entwicklung von Molekülen und die Untersuchung von Materialeigenschaften.
Diese Entwicklung wird jedoch dadurch gebremst, dass Quanteninformationen bei der Übertragung über große Entfernungen verloren gehen können. Eine Möglichkeit, dieses Hindernis zu überwinden, besteht darin, das Netz in kleinere Segmente aufzuteilen und sie alle mit einem gemeinsamen Quantenzustand zu verbinden.
Dazu braucht man ein Mittel, um die Quanteninformation zu speichern und wieder abzurufen: ein Quantenspeichergerät. Dieser muss mit einem anderen Gerät “kommunizieren”, das die Erzeugung von Quanteninformationen überhaupt erst ermöglicht.
Zum ersten Mal haben Forscher ein solches System geschaffen, das diese beiden Schlüsselkomponenten miteinander verbindet und normale optische Fasern zur Übertragung der Quantendaten verwendet.
Diese Leistung wurde von Forschern des Imperial College London, der University of Southampton und der Universitäten Stuttgart und Würzburg in Deutschland vollbracht; die Ergebnisse wurden in Science Advances veröffentlicht.
Co-Erstautorin Dr. Sarah Thomas von der Abteilung für Physik am Imperial College London sagte: “Die Verbindung von zwei wichtigen Geräten ist ein entscheidender Schritt nach vorn, um Quantennetzwerke zu ermöglichen, und wir freuen uns sehr, dass wir das erste Team sind, das dies demonstrieren konnte.”
Co-Erstautor Lukas Wagner von der Universität Stuttgart fügte hinzu: “Die Verbindung von weit entfernten Orten und sogar von Quantencomputern zu ermöglichen, ist eine entscheidende Aufgabe für künftige Quantennetzwerke.”
Kommunikation über große Entfernungen
Bei der normalen Telekommunikation – wie dem Internet oder Telefonleitungen – können Informationen über große Entfernungen verloren gehen. Um dem entgegenzuwirken, werden in diesen Systemen “Repeater” an regelmäßigen Punkten eingesetzt, die das Signal auslesen und wieder verstärken, um sicherzustellen, dass es unversehrt an seinem Ziel ankommt.
Klassische Repeater können jedoch nicht mit Quanteninformationen verwendet werden, da jeder Versuch, die Informationen zu lesen und zu kopieren, sie zerstören würde. Dies ist in gewisser Weise ein Vorteil, da Quantenverbindungen nicht “angezapft” werden können, ohne die Informationen zu zerstören und die Nutzer zu alarmieren. Für Quantennetze über große Entfernungen stellt dies jedoch eine Herausforderung dar, die es zu bewältigen gilt.
Eine Möglichkeit, dieses Problem zu überwinden, ist die Weitergabe von Quanteninformationen in Form von verschränkten Lichtteilchen, den Photonen. Verschränkte Photonen haben gemeinsame Eigenschaften, so dass man das eine nicht ohne das andere verstehen kann.
Um die Verschränkung über große Entfernungen mit einem Quantencomputer in einem Quantennetzwerk auszutauschen, braucht man zwei Geräte: eines, um die verschränkten Photonen zu erzeugen, und eines, um sie zu speichern und später wieder abzurufen.
Es gibt mehrere Geräte, mit denen Quanteninformationen in Form von verschränkten Photonen erzeugt und gespeichert werden können, aber sowohl die Erzeugung dieser Photonen auf Abruf als auch ein kompatibler Quantenspeicher, in dem sie gespeichert werden können, waren den Forschern lange Zeit ein Rätsel.
Photonen haben bestimmte Wellenlängen (was bei sichtbarem Licht zu verschiedenen Farben führt), aber die Geräte zur Erzeugung und Speicherung dieser Photonen sind oft auf unterschiedliche Wellenlängen abgestimmt, so dass sie nicht miteinander verbunden werden können.
Um die Geräte miteinander zu verbinden, entwickelte das Team ein System, bei dem beide Geräte dieselbe Wellenlänge verwenden. Ein “Quantenpunkt” erzeugte (nicht verschränkte) Photonen, die dann an ein Quantenspeichersystem weitergeleitet wurden, das die Photonen in einer Wolke aus Rubidiumatomen speicherte. Ein Laser schaltete den Speicher ein und aus, so dass die Photonen gespeichert und bei Bedarf wieder freigegeben werden konnten.
Nicht nur, dass die Wellenlänge dieser beiden Geräte übereinstimmte, sie hat auch die gleiche Wellenlänge wie die heute verwendeten Telekommunikationsnetze, so dass sie mit normalen Glasfaserkabeln übertragen werden kann, wie sie für Internetverbindungen üblich sind.
Quantencomputer: Europäische Zusammenarbeit
Die Quantenpunkt-Lichtquelle wurde von Forschern der Universität Stuttgart mit Unterstützung der Universität Würzburg entwickelt und dann nach Großbritannien gebracht, um mit dem vom Team des Imperial College und Southampton entwickelten Quantenspeicher verbunden zu werden. Das System wurde in einem Kellerlabor am Imperial College London zusammengebaut.
Es wurden zwar bereits unabhängige Quantenpunkte und Quantenspeicher geschaffen, die effizienter sind als das neue System, doch ist dies der erste Beweis dafür, dass die Geräte zu einer Schnittstelle zusammengefügt werden können, und zwar bei Telekommunikationswellenlängen.
Das Team wird nun versuchen, das System zu verbessern, u. a. indem es sicherstellt, dass alle Photonen bei derselben Wellenlänge erzeugt werden, die Speicherdauer der Photonen verbessert und das gesamte System verkleinert wird.
Als Konzeptnachweis ist dies jedoch ein wichtiger Schritt nach vorn, sagt Mitautor f von der University of Southampton: “Mitglieder der Quantengemeinschaft bemühen sich schon seit einiger Zeit aktiv um diese Verbindung. Dazu gehören auch wir, die wir dieses Experiment bereits zweimal mit verschiedenen Speicher- und Quantenpunkt-Bauelementen versucht haben, was mehr als fünf Jahre zurückliegt und zeigt, wie schwierig es ist, es durchzuführen.
“Der Durchbruch bestand dieses Mal darin, dass Experten zusammenkamen, um jeden Teil des Experiments mit Spezialgeräten zu entwickeln und durchzuführen, und dass sie zusammenarbeiteten, um die Geräte zu synchronisieren.”
Materialien bereitgestellt vom Imperial College London . Original geschrieben von Hayley Dunning.
