Quanten-Teleportation bringt das Quanteninternet ein Stück näher
Mit dem Quanteninternet können Quanteninformationen zwischen Geräten, die im selben Netzwerk sind, sicher und schnell übertragen werden. Zumindest in der Theorie. Denn wie diese “Revolution des Internets” praktisch gelingen kann, ist noch nicht endgültig geklärt.
Nun rückt diese neue Version des Internets durch Quantenteleportation aber ein Stück näher. Denn Wissenschaftler der Nanjing-Universität konnten ein Photonen-Qubit mit den gleichen Wellenlängen, wie sie in der heutigen Telekommunikation vorkommen, zu einem Quanten-Speicher teleportieren. Die Ergebnisse dieses Versuchs wurden im Fachjournal Physical Review Letters veröffentlicht.
Was ist Quantenteleportation?
Mithilfe von Quantenteleportation kann der Quantenzustand eines Teilchens an einen anderen Ort übertragen werden. Dieser kann auch weit entfernt sein und dafür muss man das Teilchen nicht einmal bewegen. Dieser Prozess ist für die Umsetzung eines Quanteninternets von zentraler Bedeutung.
Zwar konnte die Quantenteleportation in der Vergangenheit bereits experimentell demonstriert werden. Allerdings wurde für diese Experimente die Frequenz des Lichts verändert, statt direkt mit den Wellenlängen zu arbeiten, die im Telefon- und Internetnetz vorhanden sind.
Die Forscher der Nanjing-Universität haben ein Quantenbit, also die grundlegende Informationseinheit im Quantencomputing, an einen Quanten-Speicher geschickt. Das Quantenbit ist in Licht mit denselben Wellenlängen kodiert, die aktuelle Telekommunikationstechnologien nutzen. Die Arbeit eröffnet neue Möglichkeiten für den Aufbau großer Quantennetzwerke und damit für die Entwicklung eines Quanteninternets.
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Die Forschung
„Unsere Studie hat erstmals die Quantenteleportation von Telekommunikationsphotonen zu einem Festkörper-Quanten-Speicher auf Basis von Erbium-Ionen demonstriert“, sagt Xiao-Song Ma, der leitende Autor der Studie, zu phys.org. Diese Integration von einem Festkörper-Quanten-Speicher in ein Quantenteleportationssystem, war das Hauptziel der Studie.
Dadurch können die übertragenen Quanteninformationen gespeichert und dann im Netzwerk verteilt werden. Besonders praktisch ist, dass die verwendeten Komponenten mit bestehenden Glasfasernetzen kompatibel sind. Das ermöglicht es, die Übertragungsreichweite der Information weiter zu erhöhen.
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Was ist ein Quanten-Repeater?
Damit Quanten-Netzwerke funktionieren, braucht es Quanten-Repeater. Das sind Geräte, die die Entfernungen, über die Informationen übertragen werden, in kürzere Abschnitte unterteilen können. Diese Abschnitte nennt man Elementarverbindungen.
Werden die Quanten-Repeater am Ende der Abschnitte platziert, können Quanten-Speicher Quanteninformationen so lange speichern, bis eine Verbindung über das ganze Netzwerk aufgebaut ist. So können die Informationen auch über große Entfernungen sicher übertragen werden.
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„Wir haben 5 Systeme eingesetzt, um das Experiment durchzuführen“, sagt Ma. Dazu gehört die Vorbereitung des Eingangssignals, eine Quelle, die verschränkte Photenpaare erzeugt, eine Messung namens Bell-Zustandsmessung, ein Quanten-Speicher mit Erbium-Ionen und ein Gerät, das die Frequenz genau einstellt. In Zukunft wollen die Forscher daran arbeiten, die Leistung des Festkörperspeichers auf Erbium-Ionenbasis zu verbessern.