Forscher auf der ganzen Welt arbeiten an einem Netzwerk, das Quantencomputer über große Entfernungen miteinander verbinden könnte. Andreas Reiserer, Professor für Quantennetzwerke an der Technischen Universität München (TUM), erklärt, welche Herausforderungen es zu meistern gilt und wie in Kristallen eingefangene Atome dabei helfen können.
Professor Reiserer, was ist das Quanteninternet und wie unterscheidet es sich vom klassischen Internet, wie wir es kennen?
Die Idee ist dieselbe: Wir nutzen das heutige Internet, um Computer miteinander zu verbinden, während das Quanteninternet Quantencomputer miteinander kommunizieren lässt. Aber technisch gesehen ist das Quanteninternet viel komplexer. Deshalb wurden bisher nur kleinere Netzwerke realisiert.
Warum brauchen wir ein Quantennetzwerk?
Es gibt zwei Hauptanwendungen: Erstens ermöglicht die Vernetzung von Quantencomputern die Steigerung ihrer Rechenleistung; Zweitens wird ein Quantennetzwerk eine absolut abhörsichere Verschlüsselung der Kommunikation ermöglichen. Aber es gibt auch andere Anwendungen, zum Beispiel die Vernetzung von Teleskopen, um eine bisher nicht erreichte Auflösung zu erreichen, um in die Tiefen des Universums zu blicken, oder die Möglichkeit, Atomuhren auf der ganzen Welt äußerst präzise zu synchronisieren und so die Erforschung völlig neuer physikalischer Phänomene zu ermöglichen Fragen.
Wie tauschen Quantencomputer Informationen aus?
Größtenteils genauso wie im klassischen Internet: Mit Photonen. Diese Photonen werden über optische Kabel übertragen. Im klassischen Internet werden sehr starke Signale verwendet, Lichtimpulse bestehend aus Milliarden Photonen. Dabei werden die Informationen mittels eines Binärcodes übertragen: Licht an oder Licht aus, ähnlich dem Morsecode.
Das Quanteninternet ist jedoch anders: Es verwendet immer noch einen Binärcode, die Informationen werden jedoch nicht durch Lichtimpulse mit vielen Photonen, sondern durch einzelne Photonen übertragen. Dadurch ist es möglich, quantenmechanische Zustände zu übertragen, die extrem große Informationsmengen enthalten.
Warum ist es so viel schwieriger, ein Quanteninternet aufzubauen?
Photonen gehen auf ihrem Weg durch das optische Kabel verloren. In einem normalen Netzwerk können Signale leicht durch Repeater verstärkt werden, die den Lichtimpulsen mehr Photonen hinzufügen. Geht im Quanteninternet jedoch ein einzelnes Photon verloren, werden alle übertragenen Informationen unwiederbringlich zerstört. Diese Art von Verlust ist das größte Problem beim Aufbau eines funktionierenden Netzwerks. Es könnte mithilfe von Quantenrepeatern gelöst werden, an denen meine Gruppe derzeit arbeitet.
Vor welchen Herausforderungen stehen Sie?
Die Übertragung über kurze Distanzen funktioniert bereits sehr gut. Allerdings nimmt der Verlust mit zunehmender Entfernung exponentiell zu. Um Quantenrepeater zu bauen, teilen wir die Gesamtstrecke in viele kleine Teilsegmente auf. Puffer, eigentlich kleine Quantencomputer, speichern den Quantenzustand nach jedem Teilsegment, bis ein Photon zum nächsten Teilsegment übertragen wurde.
Mithilfe der sogenannten Quantenteleportation lässt sich dann die Information anschließend an das ausgesendete Photon „weiterleiten“. Dafür sind effiziente kleine Quantencomputer erforderlich, die wir gerade entwickeln.
Wie sehen diese kleinen Quantencomputer aus?
Die bisher besten untersuchten Systeme nutzen einzelne Atome, die im Vakuum mit Laserlicht eingefangen und auf sehr tiefe Temperaturen abgekühlt werden. Allerdings erfordert dieser Ansatz ein ganzes Labor voller optischer Komponenten, was es schwierig macht, diesen Ansatz im kleinen Maßstab umzusetzen.
Stattdessen verwenden wir Siliziumkristalle, in die die einzelnen Atome eingefügt wurden und sozusagen im Kristall gefangen sind. Die von uns verwendeten Erbiumatome behalten unter diesen Bedingungen ihre quantenmechanischen Eigenschaften. Auch dieser Aufbau erfordert niedrige Temperaturen, ist aber technisch viel, viel einfacher.
Wir konnten zeigen, dass dieses System prinzipiell funktioniert und dass die Erbiumatome bei Anregung Photonen erzeugen, die zum Transport von Quanteninformation geeignet sind. Ein großer Vorteil besteht darin, dass wir Tausende oder sogar Millionen dieser Strukturen auf einem einzigen Siliziumchip aufbauen können.
Warum ist das wichtig?
Die Notwendigkeit einer Pufferung in den Repeatern würde dazu führen, dass der Informationstransport von einem Ort zum anderen sehr lange dauern würde. Um eine schnellere Geschwindigkeit zu erreichen, nutzen wir das sogenannte Multiplexing. Das bedeutet, dass der Prozess möglichst oft parallel durchgeführt wird. Unsere Technologie macht dies möglich und wir arbeiten bereits an der Umsetzung.
Werden wir in Zukunft alle das Quanteninternet nutzen?
Die Situation dürfte ähnlich sein wie im klassischen Internet: Zunächst konnte sich kaum jemand vorstellen, dass heute jeder mit einem Internetzugang in der Tasche herumlaufen, über Satelliten seinen Standort bestimmen und sich über das Internet navigieren würde. Was das Quanteninternet betrifft, befinden wir uns noch in einem sehr frühen Stadium.
Unsere aktuelle Forschung konzentriert sich immer noch auf Grundlagen und untersucht Dinge wie: Können wir diese Systeme verbinden? Kann es uns gelingen, Quantenzustände auf der ganzen Welt zu verbreiten? Die Möglichkeiten eines solchen Systems, die wir heute kennen, wären für einige Bereiche bereits revolutionär, und ich bin mir sicher, dass es sehr viele Anwendungen geben wird, an die heute noch niemand denkt.
Mehr Informationen:
Andreas Gritsch et al., Narrow Optical Transitions in Erbium-Implanted Silicon Waveguides, Körperliche Untersuchung X (2022). DOI: 10.1103/PhysRevX.12.041009
Andreas Gritsch et al, Purcell-Verstärkung von Einzelphotonenemitter in Silizium, Optik (2023). DOI: 10.1364/OPTICA.486167