Wissenschaftler haben es geschafft, zwei Quantenspeicherzellen in einer Entfernung von mehr als 50 Kilometern zu verbinden, was fast dem 40-fachen des vorherigen Rekords entspricht.
Diese Leistung macht die Idee eines superschnellen, ultersicheren Quanteninternets viel plausibler.
Die Quantenkopplung beruht auf der Quantenverschränkung oder dem, was Einstein als “gruselige Fernwirkung” bezeichnet: Wenn zwei Teilchen untrennbar miteinander verbunden und voneinander abhängig sind, auch wenn sie sich nicht am selben Ort befinden.
Der Quantenspeicher ist das Quantenäquivalent des klassischen Computerspeichers – die Fähigkeit, Quanteninformationen zu speichern und für lange Zeit aufzubewahren – und wenn wir das Stadium erreichen wollen, in dem Quantencomputer wirklich praktisch und nützlich sind, ist es notwendig, dass dieser Speicher funktioniert.
“Die Hauptaussage dieser Studie besteht darin, den Verschränkungsabstand in [optischen] Fasern zwischen dem Quantenspeicher auf die Größe einer Stadt auszudehnen”, sagte Teamleiter Jian-Wei Pan von der Universität für Wissenschaft und Technologie in China.
Die Verschränkung von photonischen (Licht-) Teilchen haben wir in der Vergangenheit im leeren Raum und auf optischen Fasern in großen Entfernungen behandelt, aber das Hinzufügen eines Quantenspeichers erschwert den Prozess erheblich. Die Forscher spekulieren, dass es möglicherweise besser ist, einen anderen Ansatz zu wählen: ein Atom und ein Photon an aufeinanderfolgenden Knoten zu verwickeln, wobei Atome Knoten sind und Photonen Nachrichten übertragen.
Mit dem richtigen Netzwerk von Knoten können Sie eine bessere Grundlage für das Quanteninternet schaffen als eine reine Quantenverschränkung, bei der nur Photonen verwendet werden.
In diesem Experiment waren zwei Blöcke des Quantenspeichers Rubidiumatome, die auf einen Zustand niedriger Energie abgekühlt waren. Wenn sie mit verschränkten Photonen assoziiert sind, wird jedes von ihnen Teil des Systems.
Leider ist das Risiko einer Störung dieses Systems umso höher, je weiter ein Photon reisen muss, weshalb dieser neue Rekord so beeindruckend ist.
Der Schlüssel ist eine Technik namens Resonatorverstärkung, die die Verluste der photonischen Kopplung während der Verschränkung reduziert.
Einfach ausgedrückt, durch Platzieren von Atomen des Quantenspeichers in speziellen Ringen wird zufälliges Rauschen reduziert, das den Speicher stören und zerstören kann.
Die durch die Verstärkung des Resonators erzeugten gebundenen Atome und Photonen bilden einen Knoten. Die Photonen werden dann in eine Frequenz umgewandelt, die für die Übertragung über Telekommunikationsnetze geeignet ist – in diesem Fall ein Telekommunikationsnetz von der Größe einer Stadt.
In diesem Experiment befanden sich die Knoten der Atome im selben Labor, aber die Photonen mussten sich immer noch entlang Kabeln bewegen, die länger als 50 km waren. Es gibt Probleme, die Atome tatsächlich weiter zu trennen, aber es gibt einen Proof of Concept.
“Trotz enormer Fortschritte beträgt die maximale physische Entfernung zwischen zwei Knoten derzeit 1,3 km, und es bestehen weiterhin Probleme mit längeren Entfernungen”, erklären die Forscher in ihrem veröffentlichten Artikel.
“Unser Experiment kann auf Knoten ausgedehnt werden, die physikalisch durch gleiche Abstände voneinander getrennt sind. Diese bilden ein funktionales Segment des atomaren Quantennetzwerks und ebnen den Weg für die Herstellung einer atomaren Verschränkung an vielen Knoten und in viel größeren Abständen.”
Dann werden die Dinge wirklich interessant. Während der Quantenspeicher in der klassischen Physik dem Computerspeicher entspricht, sollte die Quantenversion viel mehr können – Informationen schneller verarbeiten und Probleme lösen, die über unsere derzeitigen Computer hinausgehen.
In Bezug auf die Übertragung dieser Daten verspricht die Quantentechnologie, die Übertragungsgeschwindigkeit zu erhöhen und die Sicherheit der Datenübertragung unter Anwendung der Gesetze der Physik zu gewährleisten – vorausgesetzt, wir können über große Entfernungen zuverlässig arbeiten.
“Das Quanten-Internet, das entfernte Quantenprozessoren miteinander verbindet, sollte eine Reihe bahnbrechender Anwendungen wie verteiltes Quantencomputing ermöglichen”, schreiben die Forscher. “Seine Implementierung wird auf der Fernkommunikation zwischen entfernten Quantenspeichern beruhen.”
Die Studie wurde in der Zeitschrift Nature veröffentlicht.
Quellen: Foto: Gerd Altmann / Pixabay