Auf dem Weg zum Quanten-Netz: Forscher gelingt Meilenstein

Hier, da oder dort? Forscher bauen das weltweit erste Netz mit drei verschränkten Quanten-Knoten.

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(Bild: Marieke de Lorijn for QuTech)

Von
  • Wolfgang Stieler

Ein Forscherteam von QuTech in den Niederlanden hat das weltweit erste Quantennetzwerk mit drei Knoten realisiert, deren Quantenzustände alle miteinander verschränkt waren. Die Forscher heben damit nicht nur eine wesentliche Beschränkung von Quantenverbindungen auf, die bisher nur Punkt-zu-Punkt-Übertragungen erlauben.

Diese Art von Quantennetz erlaubt auch, verteilte Quantencomputer-Berechnungen durchzuführen. Technische Einzelheiten beschreiben die Forscher im Wissenschaftsjournal Science. Bis 2022 wollen sie mit einem Prototypen ihres Netzes Delft, Den Haag, Leiden und Amsterdam verbinden.

Quantenkryptografisch abgesicherte Verbindungen sind – zumindest theoretisch – absolut abhörsicher. Eine Möglichkeit, so eine Verbindung zu erzeugen, besteht darin, mit einem ultravioletten Laser hoher Intensität in einen speziellen Kristall zu leuchten. Dabei entstehen aus je einem UV-Photon zwei „verschränkte“ Photonen mit der halben Energie. Die Polarisation beider Photonen ist quantenmechanisch überlagert.

Schickt man beide Photonen in verschiedene Richtungen, kann man die Polarisationen als Schlüssel für geheime Botschaften verwenden: Wird die Polarisation von einem der Teilchen gemessen, liegt auch die des zweiten Teilchens fest. Wer versucht, in dieses Wechselspiel einzugreifen, zerstört die Verschränkung und damit den kryptografischen Schlüssel. 2017 gelang es einem internationalen Team auf dieses Weise erstmals mit einem Satelliten eine interkontinentale Verbindung quantenkryptografisch abzusichern.

Diese Methode hat aber zwei große Nachteile. Eine davon ist, dass man nur Punkt-zu-Punkt-Verbindungen herstellen kann. Will man mehrere Einzelverbindungen herstellen, benötigt man Verbindungsstücke, sogenannte Trusted Nodes mit herkömmlicher Verschlüsselungstechnik. Der zweite Nachteil besteht darin, dass nicht immer beide verschränkte Photonen aus der Quelle am Ziel ankommen. Das Verbindungsprotokoll muss diese Fehlerquote berücksichtigen. Und schließlich geht bei dieser Methode durch die Messung die – wertvolle – quantenmechanische Verschränkung verloren.

Post-Mortem-Verschränkung

Ronald Hanson, Forschungsgruppenleiter am Qutech-Institut und am Bau des Quantennetzes maßgeblich beteiligt, nennt so etwas „Post-Mortem-Verschränkung“. Er und seine Kollegen arbeiten seit Jahren an einer alternativen Methode.

Sie verwenden künstliche Diamanten, in deren Kristallgitter einzelne Atome fehlen, und die mit Stickstoff dotiert sind. Manchmal sitzt solch ein Stickstoff-Atom dann direkt neben einer Kohlenstoff-Fehlstelle. In diesem „NV-Zentrum“ können Elektronen gefangen werden, die sich wie eine Art künstliche Atome verhalten – insbesondere tragen sie einen Spin genannten Eigendrehimpuls.

Indem die Forscher Mikrowellen zu den Diamanten leiten, bringen sie die Spins dazu, zu rotieren. Dann schießen sie mit einem Laser auf den Diamanten. Zeigt der Spin gerade nach unten, wird das Elektron angeregt, fällt dann nach kurzer Zeit wieder in den Grundzustand und sendet dabei ein Photon. Der Spinzustand des Elektrons und das Photon bilden gemeinsam einen verschränkten Zustand.

Um eine Quantenverbindung aufzubauen regten die Forscher zwei Diamanten an, Photonen auszusenden. Zwischen den Diamanten befinden sich zwei Sensoren mit halbdurchlässigen Spiegeln. Klicken beide Detektoren, sind die Quantenzustände gewissermaßen miteinander verknotet. Denn die Forscher wissen nur, dass in einem der Diamanten der Spin nach unten gezeigt hat – aber nicht in welchem. Auf diese Weise registrieren die Forscher tatsächlich jedes einzelne verschränkte Quantenpaar.

Jetzt haben Hanson und Kollegen ein Quantennetzwerk aus drei Quantenknoten gebaut, die sich in einiger Entfernung innerhalb desselben Gebäudes befinden. Der mittlere Knoten (genannt Bob) hat eine physikalische Verbindung zu den beiden äußeren Knoten (genannt Alice und Charlie), wodurch Verschränkungsverbindungen mit jedem dieser Knoten hergestellt werden können. Bob ist mit einem zusätzlichen Quantenbit ausgestattet, das als Speicher verwendet wird – der Elektronenspin wird auf einen Kernspin übertragen.

So wird die erste Quantenverbindung gespeichert, während eine neue Verbindung aufgebaut wird. Nach dem Aufbau der Quantenverbindungen Alice-Bob und Bob-Charlie wandelt ein Satz von „Quantenoperationen“ – physikalisch sind das Magnetfelder und Mikrowellenpulse – bei Bob diese Verbindungen in eine Quantenverbindung Alice-Charlie um. Da jedes dieser „Quantengatter“ auf alle verschränkten Zustände wirkt, obwohl es nur lokal, an einem Knoten, wirkt, könnte man so eine Art verteilten Quantencomputer bauen.

(wst)