Forscher am Niels-Bohr-Institut der Universität Kopenhagen haben eine neue Methode zur Schaffung eines Quantenspeichers entwickelt: Eine kleine Trommel kann mit Licht in seinen Schallschwingungen gesendete Daten speichern und die Daten dann bei Bedarf wieder mit neuen Lichtquellen weiterleiten. Die Ergebnisse zeigen, dass ein mechanischer Speicher für Quantendaten die Strategie sein könnte, die den Weg für ein ultrasicheres Internet mit unglaublichen Geschwindigkeiten ebnet.
Die Forschung ist veröffentlicht in der Zeitschrift Physical Review Letters.
Direkt unter Niels Bohrs altem Büro befindet sich ein Keller, in dem verstreute Tische mit kleinen Spiegeln, Lasern und einer Ansammlung von Geräten aller Art bedeckt sind, die durch ein Netz aus Drähten und Haufen Klebeband verbunden sind. Es sieht so aus, als wäre das Projekt eines Kindes zu weit gegangen, und seine Eltern haben vergeblich versucht, es zum Aufräumen zu bewegen.
Während es für das ungeübte Auge schwierig ist zu erkennen, dass diese Tabellen tatsächlich die Heimat einer Reihe weltweit führender Forschungsprojekte sind, geschieht das Wichtige in Welten, die so klein sind, dass nicht einmal Newtons Gesetze gelten. Hier entwickeln die quantenphysikalischen Erben von Niels Bohr die modernsten Quantentechnologien.
Eines dieser Projekte zeichnet sich – zumindest für Physiker – dadurch aus, dass ein mit bloßem Auge sichtbares Gerät Quantenzustände erreichen kann. Die Quantentrommel ist eine kleine Membran aus einem keramischen, glasähnlichen Material mit Löchern, die in einem sauberen Muster an den Rändern verteilt sind.
Wenn die Trommel mit dem Licht eines Lasers angeschlagen wird, beginnt sie zu vibrieren, und zwar so schnell und störungsfrei, dass die Quantenmechanik ins Spiel kommt. Diese Eigenschaft hat längst für Aufsehen gesorgt, indem sie eine Reihe quantentechnologischer Möglichkeiten eröffnet.
Nun hat eine Zusammenarbeit verschiedener Quantenbereiche am Institut gezeigt, dass die Trommel auch für das zukünftige Netzwerk von Quantencomputern eine Schlüsselrolle spielen kann. Wie moderne Alchemisten haben Forscher eine neue Form des „Quantengedächtnisses“ geschaffen, indem sie Lichtsignale in Schallschwingungen umgewandelt haben.
In ihrem gerade veröffentlichten Forschungsartikel haben die Forscher nachgewiesen, dass Quantendaten eines Quantencomputers, die als Lichtsignale ausgesendet werden – beispielsweise über die Art von Glasfaserkabel, die bereits für Hochgeschwindigkeits-Internetverbindungen verwendet werden – als Schwingungen im Computer gespeichert werden können Trommel und dann weitergeleitet.
Frühere Experimente hatten den Forschern gezeigt, dass die Membran in einem ansonsten fragilen Quantenzustand bleiben kann. Auf dieser Grundlage gehen sie davon aus, dass die Trommel in der Lage sein sollte, Quantendaten zu empfangen und zu übertragen, ohne dass diese „dekohärent“, also ihren Quantenzustand verliert, wenn die Quantencomputer bereit sind.
„Das eröffnet großartige Perspektiven für den Tag, an dem Quantencomputer wirklich das tun können, was wir von ihnen erwarten.“ Das Quantengedächtnis ist wahrscheinlich von grundlegender Bedeutung für die Übertragung von Quanteninformationen über Entfernungen. Was wir also entwickelt haben, ist ein entscheidender Baustein für ein Internet der Zukunft mit Quantengeschwindigkeit und Quantensicherheit“, sagt Postdoc Mads Bjerregaard Kristensen vom Niels Bohr Institut, Hauptautor des neuen Forschungsartikels.
Ultraschnell, ultrasicher
Bei der Übertragung von Informationen zwischen zwei Quantencomputern über eine Distanz – oder zwischen mehreren in einem Quanteninternet – wird das Signal schnell vom Rauschen übertönt. Das Rauschen in einem Glasfaserkabel nimmt exponentiell zu, je länger das Kabel ist. Schließlich können die Daten nicht mehr entschlüsselt werden.
Das klassische Internet und andere große Computernetzwerke lösen dieses Rauschproblem, indem sie Signale in kleinen Stationen entlang der Übertragungswege verstärken. Damit Quantencomputer jedoch eine analoge Methode anwenden können, müssen sie die Daten zunächst in gewöhnliche binäre Zahlensysteme übersetzen, wie sie beispielsweise von einem gewöhnlichen Computer verwendet werden.
Das geht nicht. Dies würde das Netzwerk verlangsamen und es anfällig für Cyberangriffe machen, da die Chancen, dass der klassische Datenschutz in einer Quantencomputer-Zukunft wirksam ist, sehr schlecht sind.
„Stattdessen hoffen wir, dass die Quantentrommel diese Aufgabe übernehmen kann. Es hat sich als vielversprechend erwiesen, da es sich unglaublich gut zum Empfangen und Weitersenden von Signalen von einem Quantencomputer eignet. Ziel ist es also, die Verbindung zwischen Quantencomputern durch Stationen zu erweitern, an denen Quantentrommeln Signale empfangen und weitersenden, und so Rauschen zu vermeiden und gleichzeitig die Daten in einem Quantenzustand zu halten“, sagt Kristensen.
„Dabei werden sich die Geschwindigkeiten und Vorteile von Quantencomputern, beispielsweise in Bezug auf bestimmte komplexe Berechnungen, über Netzwerke und das Internet erstrecken, da sie durch die Ausnutzung von Eigenschaften wie Superposition und Verschränkung erreicht werden, die nur für Quantenzustände gelten.“
Im Erfolgsfall werden die Stationen auch quantengesicherte Verbindungen ausbauen können, deren Quantencodes ebenfalls durch die Trommel verlängert werden könnten. Diese sicheren Signale könnten im Quanteninternet der Zukunft über verschiedene Entfernungen gesendet werden – sei es rund um ein Quantennetzwerk oder über den Atlantik.
Flexibel, praktisch und möglicherweise bahnbrechend als Quanten-RAM
An anderer Stelle wird an einer Alternative geforscht, bei der eine datentragende Lichtquelle auf ein Atomsystem gerichtet wird und die Elektronen im Atom vorübergehend verschiebt, aber die Methode hat ihre Grenzen.
„Es gibt Grenzen dafür, was man mit einem Atomsystem machen kann, da wir Atome oder die Frequenz des Lichts, mit dem sie interagieren können, nicht selbst entwerfen können. Unser relativ „großes“ mechanisches System bietet mehr Flexibilität. Wir können basteln und anpassen, sodass die Chance groß ist, dass die Quantentrommel angepasst werden kann, wenn neue Entdeckungen die Spielregeln ändern“, erklärt Professor Albert Schliesser, Co-Autor des Forschungsartikels.
„Im Guten wie im Schlechten bestimmen vor allem unsere Fähigkeiten als Forscher die Grenzen dafür, wie gut alles funktioniert“, betont er.
Die Trommel ist die neueste und ernsthafteste Variante des mechanischen Quantenspeichers, da sie eine Reihe von Eigenschaften vereint: Die Trommel weist einen geringen Signalverlust auf – das heißt, die Stärke des Datensignals bleibt gut erhalten. Es hat außerdem den enormen Vorteil, dass es alle Lichtfrequenzen verarbeiten kann, einschließlich der Frequenz, die in den Glasfaserkabeln verwendet wird, auf denen das moderne Internet basiert.
Praktisch ist die Quantentrommel auch deshalb, weil Daten bei Bedarf gespeichert und gelesen werden können. Und die rekordverdächtige Speicherzeit von 23 Millisekunden, die Forscher bereits erreicht haben, macht es weitaus wahrscheinlicher, dass dies der Fall ist Technologie könnte eines Tages ein Baustein für Systeme von Quantennetzwerken sowie die Hardware in Quantencomputern werden.
„Wir sind mit dieser Forschung früh draußen. Quantencomputing und -kommunikation befinden sich noch in einem frühen Entwicklungsstadium, aber mit dem Speicher, den wir erhalten haben, kann man spekulieren, dass die Quantentrommel eines Tages als eine Art Quanten-RAM, eine Art temporärer Arbeitsspeicher für Quanteninformationen, verwendet wird . Und das wäre bahnbrechend“, sagt der Professor.