Forscher haben zum ersten Mal Quanteninformationen erzeugt, gespeichert und abgerufen, ein entscheidender Schritt in der Quantenvernetzung.
Die Fähigkeit, Quanteninformationen auszutauschen, ist für die Entwicklung von Quantennetzwerken für verteiltes Rechnen und sichere Kommunikation von entscheidender Bedeutung. Quantencomputer werden zur Lösung einiger wichtiger Arten von Problemen nützlich sein, beispielsweise zur Optimierung finanzieller Risiken, zur Entschlüsselung von Daten, zum Design von Molekülen und zur Untersuchung der Eigenschaften von Materialien.
Allerdings wird diese Entwicklung dadurch verzögert, dass Quanteninformationen bei der Übertragung über weite Distanzen verloren gehen können. Eine Möglichkeit, diese Barriere zu überwinden, besteht darin, das Netzwerk in kleinere Segmente zu unterteilen und sie alle über einen gemeinsamen Quantenzustand zu verbinden.
Dazu ist ein Mittel erforderlich, um die Quanteninformationen zu speichern und wieder abzurufen: ein Quantenspeichergerät. Dieses muss mit einem anderen Gerät „sprechen“, 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.
Das Kunststück gelang Forschern des Imperial College London, der University of Southampton und der Universitäten Stuttgart und Würzburg in Deutschland. Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Wissenschaft Fortschritte.
Co-Erstautorin Dr. Sarah Thomas vom Department of Physics des Imperial College London sagte: „Die Verbindung zweier wichtiger Geräte ist ein entscheidender Schritt vorwärts bei der Ermöglichung von Quantennetzwerken, und wir freuen uns sehr, das erste Team zu sein, das es geschafft hat.“ konnte dies nachweisen.“
Co-Erstautor Lukas Wagner von der Universität Stuttgart fügte hinzu: „Die Verbindung weit entfernter Standorte und sogar von Quantencomputern ist eine entscheidende Aufgabe für zukünftige Quantennetzwerke.“
Fernkommunikation
Bei normaler Telekommunikation – wie dem Internet oder Telefonleitungen – können Informationen über große Entfernungen verloren gehen. Um dem entgegenzuwirken, verwenden diese Systeme an regelmäßigen Punkten „Repeater“, die das Signal lesen und erneut verstärken und so sicherstellen, dass es unversehrt sein Ziel erreicht.
Klassische Repeater können jedoch nicht mit Quanteninformationen verwendet werden, da jeder Versuch, die Informationen zu lesen und zu kopieren, diese zerstören würde. Dies ist in gewisser Weise ein Vorteil, da Quantenverbindungen nicht „angezapft“ werden können, ohne die Informationen zu zerstören und die Benutzer zu alarmieren. Für die Quantenvernetzung über große Entfernungen ist dies jedoch eine Herausforderung, die es zu bewältigen gilt.
Eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen, besteht darin, Quanteninformationen in Form verschränkter Lichtteilchen oder Photonen zu teilen. Verschränkte Photonen haben gemeinsame Eigenschaften, so dass man das eine ohne das andere nicht verstehen kann. Um die Verschränkung über große Entfernungen in einem Quantennetzwerk zu teilen, benötigt man zwei Geräte: eines zum Erzeugen der verschränkten Photonen und eines zum Speichern und späteren Abrufen.
Es gibt mehrere Geräte, mit denen Quanteninformationen in Form verschränkter Photonen erzeugt und gespeichert werden können, aber sowohl die Erzeugung dieser Photonen bei Bedarf als auch die Verfügbarkeit eines kompatiblen Quantenspeichers, in dem sie gespeichert werden können, blieb den Forschern lange Zeit verwehrt.
Photonen haben bestimmte Wellenlängen (die im sichtbaren Licht unterschiedliche Farben erzeugen), aber Geräte zu ihrer Erzeugung und Speicherung sind oft auf die Arbeit mit unterschiedlichen Wellenlängen abgestimmt, wodurch verhindert wird, dass sie miteinander in Kontakt kommen.
Um die Geräteschnittstelle herzustellen, 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, sodass die Photonen gespeichert und bei Bedarf freigesetzt werden konnten.
Die Wellenlänge dieser beiden Geräte stimmte nicht nur überein, sie liegt auch auf der gleichen Wellenlänge wie heute verwendete Telekommunikationsnetze, sodass die Übertragung mit normalen Glasfaserkabeln erfolgen kann, die bei alltäglichen Internetverbindungen üblich sind.
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 Imperial- und Southampton-Team entwickelten Quantenspeichergerät zu kommunizieren. Das System wurde in einem Kellerlabor des Imperial College London zusammengebaut.
Während unabhängige Quantenpunkte und Quantenspeicher geschaffen wurden, die effizienter sind als das neue System, ist dies der erste Beweis dafür, dass Geräte für die Schnittstelle bei Telekommunikationswellenlängen hergestellt werden können.
Das Team wird nun versuchen, das System zu verbessern, einschließlich der Sicherstellung, dass alle Photonen bei derselben Wellenlänge erzeugt werden, der Verbesserung der Speicherdauer der Photonen und der Verkleinerung des gesamten Systems.
Als Proof of Concept sei dies jedoch ein wichtiger Fortschritt, sagt Co-Autor Dr. Patrick Ledingham von der University of Southampton. „Mitglieder der Quantengemeinschaft versuchen seit einiger Zeit aktiv, diese Verbindung herzustellen. Dazu gehört, dass wir dieses Experiment schon zweimal mit unterschiedlichen Speicher- und Quantenpunktgeräten ausprobiert haben, was mehr als fünf Jahre zurückreicht, was nur zeigt, wie schwierig es ist.“
„Der Durchbruch bestand dieses Mal darin, dass Experten zusammenkamen, um jeden Teil des Experiments mit Spezialgeräten zu entwickeln und durchzuführen und gemeinsam an der Synchronisierung der Geräte zu arbeiten.“