Physiker der britischen University of Bath haben eine neue Generation spezieller Glasfasern entwickelt, um die Herausforderungen der Datenübertragung zu bewältigen, die im zukünftigen Zeitalter des Quantencomputings zu erwarten sind.
Quantentechnologien versprechen beispiellose Rechenleistung, die es uns ermöglicht, komplexe logische Probleme zu lösen, neue Medikamente zu entwickeln und unknackbare Verschlüsselungsverfahren für sichere Kommunikation bereitzustellen. Die Kabelnetze, die heute zur weltweiten Informationsübermittlung genutzt werden, sind jedoch aufgrund der massiven Kerne ihrer Glasfasern für die Quantenkommunikation wahrscheinlich nicht optimal.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Glasfasern verfügen die in Bath hergestellten Spezialfasern über einen mikrostrukturierten Kern, der aus einem komplexen Muster von Lufteinschlüssen besteht, die sich über die gesamte Länge der Faser erstrecken.
„Die herkömmlichen Glasfasern, die das Herzstück unserer heutigen Telekommunikationsnetze bilden, übertragen Licht bei Wellenlängen, die vollständig von den Verlusten des Quarzglases bestimmt werden. Diese Wellenlängen sind jedoch nicht mit den Betriebswellenlängen der Einzelphotonenquellen, Qubits und aktiven optischen Komponenten kompatibel, die für lichtbasierte Quantentechnologien erforderlich sind“, sagte Dr. Kristina Rusimova vom Fachbereich Physik in Bath.
Dr. Rusimova und ihre Kollegen beschreiben die hochmodernen Fasern, die in Bath hergestellt werden, sowie andere aktuelle und zukünftige Entwicklungen im aufstrebenden Bereich des Quantencomputings in einem wissenschaftliche Arbeit veröffentlicht in Angewandte Physik, Buchstaben, Quanten.
Dr. Rusimova, die leitende Autorin des Artikels, fügte hinzu: „Die Entwicklung und Herstellung optischer Fasern steht im Mittelpunkt der Forschung der Fakultät für Physik der Universität Bath, und die optischen Fasern, die wir im Hinblick auf Quantencomputer entwickeln, legen den Grundstein für die Datenübertragungsanforderungen von morgen.“
Quantenverschränkung
Licht ist ein vielversprechendes Medium für Quantenberechnungen. Die einzelnen Lichtteilchen, Photonen genannt, besitzen einzigartige Quanteneigenschaften, die durch Quantentechnologien nutzbar gemacht werden können.
Ein Beispiel hierfür ist die Quantenverschränkung, bei der zwei weit voneinander entfernte Photonen nicht nur Informationen übereinander enthalten, sondern auch unmittelbar die Eigenschaften des jeweils anderen beeinflussen können. Anders als die binären Bits klassischer Computer (entweder eine Eins oder eine Null) können Paare verschränkter Photonen tatsächlich gleichzeitig als Eins und Null existieren, was enorme Rechenleistung freisetzt.
Dr. Cameron McGarry, bis vor kurzem Physiker in Bath und Erstautor der Studie, sagte: „Ein Quanteninternet ist ein wesentlicher Bestandteil, um die enormen Versprechen dieser aufkommenden Quantentechnologie einzulösen.“
„Ähnlich wie das bestehende Internet wird ein Quanteninternet auf Glasfasern angewiesen sein, um Informationen von Knoten zu Knoten zu übertragen. Diese Glasfasern werden sich wahrscheinlich stark von den derzeit verwendeten unterscheiden und eine andere unterstützende Technologie erfordern, um nützlich zu sein.“
In ihrer Perspektive diskutieren die Forscher die damit verbundenen Herausforderungen des Quanteninternets aus der Perspektive der Glasfasertechnologie und präsentieren eine Reihe potenzieller Lösungen für die Skalierbarkeit eines robusten, großflächigen Quantennetzwerks.
Dies umfasst sowohl die Fasern, die für die Fernkommunikation genutzt werden, als auch Spezialfasern, die Quantenrepeater ermöglichen, die direkt in das Netzwerk integriert werden, um die Reichweite dieser Technologie zu vergrößern.
Über das Verbinden von Knoten hinaus
Sie beschreiben außerdem, wie spezielle Glasfasern über die bloße Verbindung von Netzwerkknoten hinausgehen und Quantenberechnungen an den Knoten selbst durchführen können, indem sie als Quellen für verschränkte Einzelphotonen, Quantenwellenlängenkonverter, verlustarme Schalter oder Behälter für Quantenspeicher fungieren.
Dr. McGarry sagte: „Im Gegensatz zu den Glasfasern, die üblicherweise in der Telekommunikation verwendet werden, verfügen die Spezialfasern, die routinemäßig in Bath hergestellt werden, über einen mikrostrukturierten Kern, der aus einem komplexen Muster von Lufteinschlüssen besteht, die sich über die gesamte Länge der Faser erstrecken.“
„Das Muster dieser Lufteinschlüsse ermöglicht es den Forschern, die Eigenschaften des Lichts im Inneren der Faser zu manipulieren und verschränkte Photonenpaare zu erzeugen, die Farbe der Photonen zu ändern oder sogar einzelne Atome im Inneren der Fasern einzufangen.“
„Forscher auf der ganzen Welt erzielen schnelle und spannende Fortschritte bei den Fähigkeiten mikrostrukturierter optischer Fasern auf eine Art und Weise, die für die Industrie von Interesse ist“, sagte Dr. Kerrianne Harrington, Postdoktorandin am Institut für Physik.
„Unsere Perspektive beschreibt die aufregenden Fortschritte dieser neuartigen Fasern und wie sie für zukünftige Quantentechnologien von Nutzen sein könnten.“
Dr. Alex Davis, ein EPSRC Quantum Career Acceleration Fellow in Bath, fügte hinzu: „Es ist die Fähigkeit der Fasern, Licht eng einzuschließen und über weite Entfernungen zu transportieren, die sie nützlich macht.“
„Dies ermöglicht uns nicht nur die Erzeugung verschränkter Photonen, sondern auch die Erzeugung exotischerer Quantenzustände des Lichts für Anwendungen in der Quanteninformatik, der Präzisionssensorik und der undurchdringlichen Nachrichtenverschlüsselung.“
Der Quantenvorteil – die Fähigkeit eines Quantengeräts, eine Aufgabe effizienter auszuführen als ein herkömmlicher Computer – muss noch schlüssig nachgewiesen werden. Die in der Perspektive genannten technologischen Herausforderungen werden wahrscheinlich neue Wege der Quantenforschung eröffnen und uns dem Erreichen dieses wichtigen Meilensteins näher bringen. Die in Bath hergestellten Glasfasern werden voraussichtlich dazu beitragen, die Grundlagen für die Quantencomputer von morgen zu legen.
Zum Forscherteam in Bath gehörte auch der Dozent Dr. Peter Mosely.
Mehr Informationen:
Cameron McGarry et al, Mikrostrukturierte optische Fasern für Quantenanwendungen: Perspektive, APL Quantum (2024). DOI: 10.1063/5.0211055