Auf dem Weg zu einem Quanten-Internet

Das Versprechen von Quantencomputern ist verlockend groß: nahezu sofortige Problemlösung und absolut sichere Datenübertragung. Größtenteils bleiben kleine Demonstrationen der Quantenberechnung jedoch in Labors auf der ganzen Welt isoliert. Jetzt, Prem Kumar , Professor für Elektrotechnik und Informatik an der Northwestern University, hat einen Schritt in Richtung praktischere Anwendung von Quantencomputing unternommen. Kumar und sein Team haben gezeigt, dass sie ein Quantenlogikgatter – eine grundlegende Komponente eines Quantencomputers – innerhalb einer Glasfaser bauen können. Das Gate könnte Teil einer Schaltung sein, die Informationen sicher über Hunderte von Kilometern Glasfaser von einem Quantencomputer zum anderen weiterleitet. Es könnte auch allein verwendet werden, um Lösungen für komplizierte mathematische Probleme zu finden.

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Verstricktes Netz: Die optischen Komponenten auf diesem Labortisch, wie Spiegel und Filter, ermöglichen es Forschern in Prem Kumars Labor an der Northwestern University, Licht zu lenken und zu manipulieren. In Kumars jüngster Arbeit hat er ein Quantenlogik-Gatter innerhalb einer Glasfaser geschaffen; solche Tore könnten schließlich Netzwerke von Quantencomputern ermöglichen.

Ein Logikgatter ist ein Gerät, das eine Eingabe empfängt, eine logische Operation daran durchführt und eine Ausgabe erzeugt. Der von Kumar erstellte Gattertyp, der als kontrolliertes NICHT-Gatter bezeichnet wird, hat ein Analogon der klassischen Computertechnik, das ein Bit umdreht, das eine 1 auf 0 registriert, und umgekehrt. Quantenlogikgatter wie das von Kumar wurden schon früher gebaut, aber sie arbeiteten mit Laserstrahlen, die durch die Luft gingen, nicht durch Fasern. Das neue Gate legt den Grundstein für Experimente, die die Fähigkeiten von Quantencomputern in Glasfasern demonstrieren, sagt Kumar. Das Spannende dabei sei, dass eine Bewerbung zum Greifen nah sei, sagt er. Im nächsten Jahr planen Kumar und sein Team, das Gate in einer bestimmten Anwendung zu testen: eine komplexe Auktion über ein sicheres Quantennetzwerk durchzuführen.

Forscher von IBM, MIT und vielen anderen Unternehmen und Universitäten arbeiten an Quantencomputern, seit sie in den 1980er Jahren zum ersten Mal vorgeschlagen wurden. Ein Quantencomputer ist ein Gerät, das Informationsbits verarbeitet, indem es die seltsamen quantenmechanischen Eigenschaften von Teilchen wie Elektronen und Photonen ausnutzt. Ein Quantencomputer kann theoretisch exponentiell mehr Informationen verarbeiten als klassische Computer. Die Informationseinheit in einem klassischen Computer ist das Bit, das entweder eine 1 oder eine 0 darstellt; aber in einem Quantencomputer ist es das Qubit, das gleichzeitig eine 1 und eine 0 darstellen kann. Da Qubits mit mehreren Werten gleichzeitig rechnen, verdoppelt sich die Rechenleistung eines Quantencomputers mit jedem weiteren Qubit. Diese Eigenschaft würde es einem Quantencomputer mit nur ein paar hundert Qubits ermöglichen, die besten Supercomputer von heute deutlich zu übertreffen.

Kumars Gruppe macht Qubits aus verschränkten Photonen. Das bedeutet, dass ihre physikalischen Eigenschaften, wie beispielsweise die Polarisation, so verknüpft sind, dass, wenn ein Photon einen bestimmten physikalischen Zustand einnimmt, das dazu passende Photon sofort einen entsprechenden Zustand einnimmt. Vor einigen Jahren zeigte Kumar, dass Lichtwellenleiter selbst eine Verschränkung von Photonen bewirken können und dass sie über eine Distanz von 100 Kilometern verschränkt bleiben würden. Seine jüngste Arbeit, beschrieben in Physische Überprüfungsschreiben , geht noch einen Schritt weiter und erzeugt ein Logikgatter, das Photonenpaare verschränkt.

Um dieses Gate zu verwenden, benötigt Kumar Photonen, die in jeder Hinsicht identisch sind, mit Ausnahme der Polarisation oder der Ausrichtung ihrer elektromagnetischen Felder. Diese identischen Photonen werden über eine Glasfaser zum Gate selbst gesendet, einem kleinen Labyrinth von Geräten, die Photonen in verschiedene Richtungen leiten über ihre Polarisierung. Beim Durchqueren des Labyrinths verschränken sich bestimmte Photonenpaare. Aber nicht alle Photonen schaffen es durch das Tor; Erst wenn Photonen Detektoren am anderen Ende erreichen und die Forscher messen können, ob sie verschränkt sind oder nicht, wissen sie, dass das Tor erfolgreich war.

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Der einzige Weg, um zu wissen, ob das Tor funktioniert hat oder nicht, ist zu warten, bis eine Sammlung von Photonen darauf abgefeuert wurde, sagt Carl Williams , Koordinatorin der Quanteninformationsprogramm am National Institute of Standards and Technology. Meistens versagt das Tor, sagt er. Es ist eine probabilistische Sache. Aber wenn das Gate versagt, ignorieren die Forscher die unverschränkten Photonen einfach.

Das Tolle an dieser Arbeit, sagt Williams, ist, dass sie aus Fasern besteht. Dies ist eine große Sache, da dies zu verteilten Netzwerken führen könnte. … Die offensichtliche Anwendung ist die Quantenkommunikation über große Entfernungen zwischen zwei kleineren Quantencomputern. Eines der entscheidenden Elemente in einem herkömmlichen optischen Netzwerk ist ein als Repeater bezeichnetes Gerät, das Signale verstärkt, die sich über die Entfernung verschlechtert haben. Williams sagt, dass ein Quantenlogikgatter, wie das von Kumar gebaute, in einer Schaltung verwendet werden könnte, die ein Signal verstärkt, ohne die Verschränkung der Photonen zu verlieren.

Dies ist ein wichtiger Schritt zum Aufbau eines Quanteninternets, sagt Seth Lloyd , Professor für Maschinenbau am MIT und führender Forscher im Bereich Quantencomputer. Ein solches Netzwerk hätte Befugnisse, die das normale Internet nicht hat, sagt er. Insbesondere die Kommunikation über das Quanteninternet wäre automatisch sicher.

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Lloyd merkt an, dass Kumars Aufsatz veranschaulicht, wie eine einfache quantenlogische Operation mit einzelnen Photonen durchgeführt werden kann. Das aktuelle Papier stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Technologie der Quantencomputer und Quantennetzwerke dar, sagt er.

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