Das kommende Quanteninternet

Der Quantencomputer ist zumindest im Labor Realität. Jetzt sollen Quantencomputer zu einem Internet zusammengeführt werden

Sonja Burger | aus HEUREKA 4/15 vom 14.10.2015

BubiKopf12345 fragte am 27. August im Internet-Forum gutefrage. net "Bitte kindgerecht erklären - Was ist ein Quant? Ich habe schon überall geguckt und verstehe es wirklich überhaupt nicht." Die Antworten darauf reichen von Rechenbeispielen über das Quanteln bis zu "ein Quant ist die kleinste Mengeneinheit".

110 Jahre nach Einsteins theoretischer Arbeit zur Erklärung des "photoelektrischen Effekts", wonach Licht aus Lichtpaketen, den Photonen oder Lichtquanten, besteht, sind den meisten von uns die Grundlagen der Quantenmechanik ein Rätsel.

Die Quantenphysik hingegen hat Fortschritte gemacht, die Physiker wie Max Planck, Albert Einstein, Nils Bohr oder Richard Feynman in ungläubiges Staunen versetzt hätte. Jeder von ihnen hatte einen bedeutenden Anteil an der Forschung. Ob sich einer jedoch hätte vorstellen können, woran heute weltweit geforscht wird und was bereits realisiert ist?

Die Quanten-Hotspots in Österreich

Seit Jahrzehnten mischen österreichische Forscher erfolgreich mit. Im Westen bilden die Universität Innsbruck und das Institut für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (IQOQI ), im Osten Wien mit dem Atominstitut der TU Wien und dem Institut für Experimentalphysik der Uni Wien die Forschungshotspots.

Markus Arndt, Rainer Blatt, Arno Rauschenbeutel, Jörg Schmiedmayer, Anton Zeilinger oder Peter Zoller zählen zu den Aushängeschildern der heimischen Quantenphysik. Gemeinsam mit ihren Teams tragen sie auf theoretischer oder experimenteller Ebene dazu bei, dass eine Vision immer mehr Gestalt annimmt: das Quantennetzwerk oder Quanteninternet.

Die Erfindung des Quantencomputers

Meilensteine auf dem Weg dorthin sind Quantencomputer und Quantenspeicher. In Innsbruck hat die Gruppe rund um den Experimentalphysiker Rainer Blatt (siehe Seite 4) mithilfe von Ionenfallen funktionsbereite, kleine Quantencomputer im Labor hergestellt. Einzelne Atome bilden den Quantenspeicher. Diese atomaren Quantenbits werden mit Laserlicht manipuliert, um Quantenrechnungen auszuführen.

Während ein klassisches Bit nur die Zustände 0 oder 1 annehmen kann, sind bei einem Qubit auch quantenmechanische Überlagerungszustände möglich. Dadurch ist das Potenzial des Quantencomputers weitaus größer als das von gängigen Computern.

Erste Vorschläge zu einem Ionenfallen-Quantencomputer sind schon zwanzig Jahre alt und stammen von Juan Ignacio Cirac und Peter Zoller.

Zoller, Professor für Theoretische Physik der Universität Innsbruck und Research Director am IQOQI, erklärt, "dass die kleinen Quantencomputer heute in der Lage sind, mehrere hundert Quantenoperationen auszuführen. Die Quantenbits für lange Zeiten stabil zu erhalten, ist derzeit die große Herausforderung." Damit meint er, dass eine Fehlerkorrektur realisiert werden muss.

Solche Quantencomputer lassen sich dann zu einem Quanteninternet vernetzen. Die Ideen dazu gehen auf Innsbrucker Arbeiten von Hans Jürgen Briegel, Juan Ignacio Cirac, Wolfgang Dür und Peter Zoller zurück. Die Forscher dachten darüber nach, wie sich Quantenkommunikation über längere Distanzen umsetzen lässt.

Erreicht wird dies über Quantenrepeater, eine Art Zwischenverstärker für Quanteninformationen. Die Experimente des Physikers Arno Rauschenbeutel vom Atominstitut der TU Wien stehen mit der Thematik in engem Zusammenhang. Ihm gelang es, einzelne Atome an Glasfasern zu koppeln, um Lichtquanten bzw. Photonen mithilfe ultradünner Glasfaserkabeln zu übertragen.

Der Beginn des Quanteninternets

Aus heutiger Sicht ist für die Innsbrucker Forscher das Thema Quantenspeicher abgehakt. Jene in ihrem Labor können Quantenbits sehr lange stabil halten. Jedenfalls reicht es aus, um einen Schritt weiter gehen zu können und ein Quanteninternet aufzubauen. Mit der Vernetzung von Quantencomputern befasst sich eine neue Generation aus Ben Lanyon, Tracy E. Northup und Christine A. Muschik.

"Ihre Langzeitvision ist, ein globales Quanteninternet zu realisieren. Die Möglichkeit, Daten in diesem Netzwerk garantiert sicher zu übertragen, ist eine zentrale Motivation", sagt Zoller. Die Grundidee besteht darin, Daten mittels Teleportation zu übertragen. Dazu benötigt man ein korreliertes Teilchenpaar, ein sogenanntes Einstein-Podolsky-Rosen(EPR)-Paar. Da die Übertragung von Photonen über Glasfasern nicht perfekt ist, kann man solche EPR-Paare nur über kleine Distanzen mit guter Qualität erzeugen. Beim Quantenrepeater, welcher die Grundlage für die Quantenkommunikation bildet, werden solche EPR-Paare auf kurzen Distanzen zu einem EPR-Paar über lange Distanzen verknüpft: Wie Schuhbänder, die man zusammenknüpft, um ein langes Seil zu erhalten. Damit soll eine fehlerfreie Übertragung von Quantendaten über globale Distanzen erreicht werden.

Was Löcher in Diamanten bringen

Am Atominstitut der TU Wien wird unter der Leitung des Experimentalphysikers Jörg Schmiedmayer in Teams u.a. von Johannes Majer und Michael Trupke ebenfalls über funktionsfähige Quantenspeicher geforscht. Im Unterschied zu Innsbruck verbinden sie die Quanten- mit der Festkörperphysik. Superschnelle, leistungsstarke Quantencomputer wären in vielen Bereichen, etwa in der Forschung, von großem Nutzen. Dafür müssen jedoch Quantenspeicher entwickelt werden, die Quantenbits dichtest gepackt bei Raumtemperatur möglichst lange stabil halten können. Schmiedmayers "Atomchip Group" beschäftigt mehrere Forschergruppen mit der Suche nach Kandidaten.

"Davon gibt es in der Forschungswelt einige", erklärt Johannes Majer. "Von einem Bauplan für große, robuste Quantenspeicher sind wir aber ziemlich weit entfernt. Die Anforderungen sind jedoch klar: Einen Quantenzustand möglichst lange speichern, halten und genau zurückschreiben."

Majers Team befasst sich mit künstlich erzeugten Diamanten. Als Quantenspeicher könnten sich Stickstoffdefekte eignen, die aus einem Stickstoffatom und einem Loch bestehen und den Diamanten eine intensiv rote Farbe geben. Um diese künstlich zu erzeugen, erfüllt ein Relikt aus dem Atomzeitalter gute Dienste. Im Forschungsreaktor des Atominstituts, auch "Praterreaktor" genannt, wird der Diamant mit Neutronen beschossen, um die Löcher zu erzeugen. Der bestrahlte Diamant wird dann bei 900 Grad erhitzt, die Löcher werden mobil, binden sich an Stickstoffatome und erzeugen so die gewünschten Defekte in der Diamantkristallstruktur.

"Die Wissenschaft entwickelt sich so schnell. Wir wissen heute nicht, wo wir in drei Jahren sein werden. Gerade das macht die Quantenphysik für uns so spannend", bringt es Schmiedmayer auf den Punkt.

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