Quanteninformationen von „Alice“ zu „Charlie“ übermitteln
Forschende haben mit Unterstützung durch die EU-finanzierten Projekte QIA und QNETWORK gezeigt, wie sich Quanteninformationen zwischen zwei Knoten teleportieren lassen, die nicht direkt miteinander verbunden sind. Ihre in der Fachzeitschrift „Nature“ erschienene Arbeit bringt uns einen Schritt näher an das Ziel eines Quanteninternets mit schnellerer und sichererer Kommunikation. Quantencomputer müssen, genau wie in unseren bisherigen Computernetzwerken, miteinander verbunden sein, um Quantenbits (Qubits) an Informationen untereinander auszutauschen. Diese Informationen von einem Ort, d. h. einem Knoten, zu einem anderen zu übertragen, ist jedoch mitunter gar nicht so einfach: Wenn herkömmliche optische Fasern dafür eingesetzt werden, führt der damit verbundene Photonenverlust dazu, dass entsprechend auch Informationen verloren gehen. Dieses Problem lässt sich allerdings durch das Phänomen der Quantenverschränkung überwinden, denn dadurch ist es möglich, zwei weit voneinander entfernte Knotenpunkte miteinander zu verbinden und somit Informationen zwischen diesen Knoten zu teleportieren. Um Qubits von einem Knoten zu einem anderen zu teleportieren, muss das Qubit der übermittelnden Seite zunächst durch eine sogenannte Bell-Zustandsmessung verändert werden. Dadurch verschwindet der Quantenzustand des Qubits aus dem Knoten der übermittelnden Seite und taucht dann auf der empfangenden Seite in verschlüsselter Form wieder auf. Das Ergebnis der Bell-Zustandsmessung wird der Empfangsseite dann über einen anderen Kanal (z. B. eine optische Faser) übermittelt und erklärt, welche Aufgabe ausgeführt werden muss, damit der Quantenzustand – und damit die teleportierte Information – entschlüsselt werden können.
„Charlie“ kommt ins Spiel
Dieser Vorgang wurde bereits mit zwei benachbarten Knoten namens „Alice“ und „Bob“ erreicht. Das Forschungsteam konnte nun die Teleportation von Qubits zwischen „Alice“ und einem dritten Knoten, „Charlie“, demonstrieren, indem es sie über „Bob“ miteinander verschränkte. Für das Teleportationsexperiment nutzten die Forschenden das Drei-Knoten-Netzwerk, das sie 2021 am niederländischen Forschungsinstitut QuTech erstellt hatten. Das QuTech wurde vom Projektträger von QIA und QNETWORK, der Technischen Universität Delft (TU Delft) zusammen mit der unabhängigen Forschungseinrichtung TNO gegründet. Um eine hochpräzise Teleportation zu erreichen, führten sie jedoch zunächst eine Reihe von Verbesserungen durch. So lösten sie das Problem von falschen angekündigten Signalen, die durch ein unerwünschtes zweites Photon verursacht werden, sowie das Problem der spektralen Diffusion. Außerdem konnten sie den Schutz von Speicher-Qubits und das Verfahren zur Auslesung von Qubits verbessern. Durch diese Verbesserungen war es möglich, Qubits zwischen den beiden nicht benachbarten Knoten „Alice“ und „Charlie“ zu teleportieren. Als erstes verschränkte das Team das Qubit von „Alice“ über „Bob“ mit dem Qubit von „Charlie“. Anschließend erfolgte eine Bell-Zustandsmessung an „Charlies“ Qubit statt, die dazu führte, dass sein Quantenzustand an Alice teleportiert wurde. Das Forschungsteam übermittelte das Ergebnis der Bell-Zustandsmessung dann an „Alice“ und empfing die verschlüsselten Informationen mit einer Fidelität von rund 71 Prozent. Laut einer Pressemitteilung auf „Physics World“ strebt der Erstautor der Studie, Prof. Ronald Hanson von der TU Delft, als nächstes an, die Anzahl der Speicher-Qubits zu steigern und die Technologie in einem realen Netzwerk zu testen. „Wir arbeiten außerdem gemeinsam mit Fachleuten aus der Informatik daran, den Quantennetzwerk-Control-Stack zu entwickeln – einen vergleichbaren Stapel von Steuerebenen, wie es sie heute für unser allgegenwärtiges Internet gibt“, bemerkt Prof. Hanson, der auch einer der Mitbegründer von QuTech ist. Diese Arbeit, die mit Unterstützung durch QIA (Quantum Internet Alliance) und QNETWORK (Quantum networks wired by multi-spin entanglement) durchgeführt wurde, ist ein wichtiger Grundstein für die Quantennetzwerke von morgen. Mehr noch, sie ebnet den Weg für die Forschung zu Mehrknoten-Protokollen und -Anwendungen auf der Basis der Teleportation. Weitere Informationen: QIA-Projektwebsite Projekt QNETWORK
Schlüsselbegriffe
QIA, QNETWORK, Quantennetzwerk, Quantenzustand, Informationen, Qubit, Knoten, Teleportation, Bell-Zustandsmessung
