Technische Innovation

Praxistest bestanden: Das Quanten-Internet wird Realität

Nicolas Meudt Autor, Hemd & Hoodie

Die gelungene Übermittlung von Informationen zwischen zwei verschiedenen Arten von Quantenknoten bereitet dem Quanten-Internet den Weg.

Lange waren Quantencomputer ein weitgehend theoretisches Konzept und wissenschaftliches Kuriosum. Allerdings kommen sie einer breiten Nutzung für reale Anwendungen immer näher. Sobald diese Geräte einmal online gehen, wird die nächste große Herausforderung sein, sie effektiv miteinander zu verbinden. Die notwendigen Voraussetzungen hierfür schafft ein sogenanntes Quanten-Internet, das in einer äußerst rudimentären Form bereits existiert. Ist es einmal ausgereift, wird es gegenüber seinem heutigen Vorgänger zahlreiche Vorteile bieten, etwa einen sichereren Datenaustausch sowie eine effizientere Datenverarbeitung.

Ein wichtiger Schritt auf dem Weg zu einem funktionsfähigen Quanten-Internet soll nun erfolgt sein. Denn einer aktuellen Publikation zufolge haben Wissenschaftler eine elementare „hybride“ Netzwerkverbindung geschaffen, über die erstmals eine photonische Kommunikation – mit einem einzelnen Lichtteilchen als Informationsträger – zwischen zwei sehr unterschiedlichen und räumlich weit auseinanderliegenden Quantenknoten gelungen ist. In bereits existierenden Quantennetzwerken konnten bislang ausschließlich Informationen zwischen denselben Arten von Quantenknoten übertragen werden.

Quantenknoten sprechen verschiedene Sprachen

Die genannten Knoten sind notwendig, um Qubits zu senden, speichern und zu verarbeiten. Im Gegensatz zu normalen Computern, die Informationen in binären Bits verarbeiten – entweder als “Null” oder als “Eins” -, können diese auch eine Überlagerung der beiden Zahlen speichern. Dies ermöglicht die gleichzeitige Ausführung mehrerer Rechenoperationen auf einem Chip.

Dr. Georg Heinze, Pau Farrera und Nicolas Maring bei ihrem Versuch (v.l.n.r)
Dr. Georg Heinze, Pau Farrera und Nicolas Maring bei ihrem Versuch (v.l.n.r): Bild: ICFO – Nicolas Maring

Da einige Arten von Quantenknoten für bestimmte Aufgaben besser geeignet sind als andere, würde ein Quantennetzwerk davon profitieren, auf verschiedene Arten von Knoten zurückgreifen zu können. Kalte atomare Gase beispielsweise können leicht Qubit-kodierte Photonen erzeugen, dotierte Festkörper hingegen sind gut dafür geeignet, Quanteninformationen über relativ lange Zeiträume zu speichern. Unterschiedliche Knoten emittieren und verarbeiten Photonen jedoch in der Regel mit unterschiedlichen Wellenlängen und Bandbreiten, was eine Qubit-Übertragung zwischen ihnen gravierend erschwert. „Es ist, als hätte man Knoten, die in zwei verschiedenen Sprachen sprechen”, sagt Nicolas Maring, einer der verantwortlichen Wissenschaftler.

Photonencodierung bereitet Weg für Quanten-Internet

Um eine Informationsübertragung zwischen zwei verschiedenartigen Knoten zu ermöglichen, nutzen die Forscher eine Photonencodierungstechnik namens „Time-bin encoding“. Konkret erzeugten sie in ihrem Experiment aus einer lasergekühlten Wolke aus Rubidiumatomen ein Qubit, das in ein einzelnes Photon mit sehr schmaler Bandbreite und einer Wellenlänge von 780 Nanometern (nm) kodiert wurde. Nachdem sie Letzteres über eine Glasfaser von einem Labor in das andere geschickt hatten, wurde die Wellenlänge in 606 nm umgewandelt, sodass es mit dem empfangenden dotierten Kristallknoten interagieren konnte. Um zu zeigen, dass ihr experimentelles Netzwerk mit den Wellenlängen der derzeitigen Telekommunikationsinfrastruktur kompatibel ist, hatten die Forscher das Photon vor dem Verschicken zwischenzeitlich sogar auf eine Wellenlänge von 1552 nm konvertiert.

Die Forscher realisierten verschiedene Wellenlängen in ihrem Versuch, eine ist zu derzeitigen Telekommunikationsinfrastruktur kompatibel.
Die Forscher realisierten verschiedene Wellenlängen in ihrem Versuch, eine ist zu derzeitigen Telekommunikationsinfrastruktur kompatibel.

“Quantenknoten mit sehr unterschiedlichen Funktionalitäten und Fähigkeiten zu verbinden und Quantenbits mit einzelnen Photonen zwischen ihnen zu übertragen, ist ein wichtiger Meilenstein in der Entwicklung hybrider Quantennetzwerke”, so der leitende Forscher der Studie, Hugues de Riedmatten. Der Grund: Ahnlich wie das heutige Internet viele unterschiedliche Geräte verbindet, wird das zukünftige Quanten-Internet notwendigerweise viele verschiedene Quanteninformations-Verarbeitungsgeräte verbinden, die alle ihre eigenen Vorteile und Anwendungsbereiche haben.

Cover-Foto: ICFO/Scixel – Hugues de Reidmatten(Montage)

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