Quantencomputer bieten leistungsfähige Möglichkeiten, um unter anderem die Cybersicherheit, die Kommunikation und die Datenverarbeitung zu verbessern. Um diese Vorteile voll auszuschöpfen, müssen jedoch mehrere Quantencomputer miteinander verbunden werden, um Quantennetzwerke oder ein Quanteninternet aufzubauen. Wissenschaftler haben Schwierigkeiten, praktische Methoden zum Aufbau solcher Netzwerke zu entwickeln, die Quanteninformationen über große Entfernungen übertragen müssen.
Forscher der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) der University of Chicago haben nun einen neuen Ansatz vorgeschlagen: den Bau langer Quantenkanäle mithilfe von Vakuumröhren mit einer Reihe von Linsen. Diese Vakuumstrahlführungen mit einem Durchmesser von etwa 20 Zentimetern hätten Reichweiten von Tausenden von Kilometern und Kapazitäten von mehr als 1.013 Qubits pro Sekunde, besser als jeder bisherige Ansatz zur Quantenkommunikation. Lichtphotonen, die Quantendaten kodieren, würden sich durch die Vakuumröhren bewegen und dank der Linsen fokussiert bleiben.
„Wir glauben, dass diese Art von Netzwerk machbar ist und viel Potenzial hat“, sagte Liang Jiang, Professor für Molekulartechnik und Hauptautor der neuen Arbeit. „Es könnte nicht nur für sichere Kommunikation verwendet werden, sondern auch für den Aufbau verteilter Quantencomputernetzwerke, verteilter Quantensensortechnologien, neuer Arten von Teleskopen und synchronisierter Uhren.“
Jiang arbeitete bei seiner neuen Arbeit mit Wissenschaftlern der Stanford University und des California Institute of Technology zusammen. die veröffentlicht wird In Briefe zur körperlichen Überprüfung.
Senden von Qubits
Während klassische Computer Daten in herkömmlichen Bits kodieren – dargestellt als 0 oder 1 –, basieren Quantencomputer auf Qubits, die Quantenphänomene aufweisen können. Zu diesen Phänomenen gehören Superposition – eine Art mehrdeutige Kombination von Zuständen – sowie Verschränkung, die es ermöglicht, zwei Quantenteilchen auch über große Entfernungen hinweg miteinander zu korrelieren.
Diese Eigenschaften verleihen Quantencomputern die Fähigkeit, neue Datentypen zu analysieren und Informationen auf neue, sichere Weise zu speichern und weiterzugeben. Durch die Verbindung mehrerer Quantencomputer können diese noch leistungsfähiger werden, da ihre Datenverarbeitungsfähigkeiten gebündelt werden können. Netzwerke, die normalerweise zum Verbinden von Computern verwendet werden, sind jedoch nicht ideal, da sie die Quanteneigenschaften von Qubits nicht aufrechterhalten können.
„Man kann keinen Quantenzustand über ein klassisches Netzwerk senden“, erklärte Jiang. „Man kann ein Datenstück klassisch senden, ein Quantencomputer kann es verarbeiten, aber das Ergebnis wird dann wieder klassisch zurückgesendet.“
Einige Forscher haben Möglichkeiten getestet, Glasfaserkabel und Satelliten zur Übertragung optischer Photonen zu nutzen, die als Qubits fungieren können. Photonen können über vorhandene Glasfaserkabel eine kurze Distanz zurücklegen, verlieren aber im Allgemeinen schnell ihre Informationen, da Photonen absorbiert werden. Photonen, die zu Satelliten zurückprallen und an einem neuen Ort zur Erde zurückkehren, werden aufgrund des Vakuums im Weltraum weniger absorbiert, aber ihre Übertragung wird durch die Absorption der Atmosphäre und die Verfügbarkeit der Satelliten begrenzt.
„Wir wollten die Vorteile der beiden vorherigen Ansätze kombinieren“, sagte PME-Student Yuexun Huang, Erstautor der neuen Arbeit. „Im Vakuum kann man viele Informationen ungedämpft übertragen. Aber wenn man das auch auf der Erde tun könnte, wäre das ideal.“
Von LIGO lernen
Wissenschaftler, die am Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory (LIGO) des California Institute of Technology arbeiten, haben riesige Vakuumröhren auf der Erde gebaut, um bewegte Lichtphotonen einzufangen, die Gravitationswellen erkennen können. Experimente bei LIGO haben gezeigt, dass Photonen in einem nahezu molekülfreien Vakuum Tausende von Kilometern zurücklegen können.
Inspiriert von dieser Technologie begannen Jiang, Huang und ihre Kollegen zu skizzieren, wie kleinere Vakuumröhren zum Transport von Photonen zwischen Quantencomputern verwendet werden könnten. In ihrer neuen theoretischen Arbeit zeigten sie, dass diese Röhren, wenn sie richtig konstruiert und angeordnet sind, Photonen durch das ganze Land transportieren könnten. Darüber hinaus würden sie nur ein mittleres Vakuum (10-4 Atmosphärendruck) benötigen, das viel einfacher aufrechtzuerhalten ist als das für LIGO erforderliche Ultrahochvakuum (10-11 Atmosphärendruck).
„Die größte Herausforderung besteht darin, dass sich ein Photon bei seiner Bewegung durch ein Vakuum etwas ausbreitet“, erklärte Jiang. „Um das zu überwinden, schlagen wir vor, alle paar Kilometer Linsen anzubringen, die den Strahl über weite Distanzen ohne Beugungsverlust fokussieren können.“
In Zusammenarbeit mit Forschern am Caltech plant die Gruppe Tischexperimente, um die Praktikabilität der Idee zu prüfen. Anschließend will sie mithilfe größerer Vakuumröhren, wie sie beispielsweise bei LIGO eingesetzt werden, daran arbeiten, die Linsen auszurichten und die Photonenstrahlen über lange Distanzen zu stabilisieren.
„Um diese Technologie in größerem Maßstab umzusetzen, müssen wir sicherlich auch einige bautechnische Herausforderungen bewältigen“, sagte Jiang. „Aber der ultimative Vorteil ist, dass wir große Quantennetzwerke haben, die Dutzende Terabyte an Daten pro Sekunde übertragen können.“
Mehr Informationen:
Yuexun Huang et al, Vakuumstrahlführung für großskalige Quantennetzwerke, Briefe zur körperlichen Überprüfung (2024). DOI: 10.1103/PhysRevLett.133.020801. An arXiv: DOI: 10.48550/arxiv.2312.09372