Fliegende Qudits: Die Erschließung neuer Dimensionen der Quantenkommunikation

Abbildung 1. Das Signalphoton, manipuliert durch den integrierten photonischen Schaltkreis, erzeugt ein 4D-Qudit, dargestellt durch die orangefarbenen Kugeln. In der Zwischenzeit fungiert das Idler-Photon, dargestellt durch die blaue Kugel, als Fernbedienung für das Signalphoton. Credit: Haoqi Zhao, Yichi Zhang, Zihe Gao, Jieun Yim, Shuang Wu, Natalia M. Litchinitser, Li Ge und Liang Feng, bearbeitet

Forscher haben eine bahnbrechende Methode zur Übertragung von Quanteninformationen mit Lichtteilchen, sogenannten Qudits, entwickelt, die die räumlichen Mode- und Polarisations­eigenschaften nutzen, um schnellere, sicherere Datenübertragung und erhöhte Fehlerresistenz zu ermöglichen.

Diese Technologie könnte die Fähigkeiten des Quanteninternets erheblich verbessern, indem sie langfristige, sichere Kommunikation bietet und zur Entwicklung leistungsstarker Quantencomputer und unknackbarer Verschlüsselungen führt.

Wissenschaftler haben einen bedeutenden Durchbruch erzielt, indem sie eine neue Methode zur Übertragung von Quanten­informationen mit Lichtteilchen namens Qudits entwickelt haben. Diese Qudits versprechen ein sicheres und leistungsfähiges zukünftiges Quanten­internet.

Traditionell wird Quanten­information auf Qubits kodiert, die sich in einem Zustand von 0, 1 oder beidem gleichzeitig (Superposition) befinden können. Diese Eigenschaft macht sie ideal für komplexe Berechnungen, begrenzt jedoch die Menge an Daten, die sie in der Kommunikation übertragen können. Im Gegensatz dazu können Qudits Informationen in höheren Dimensionen kodieren und mehr Daten auf einmal übertragen.

Qubits und Qudits sind beide Einheiten der Quanteninformation, unterscheiden sich jedoch hauptsächlich in ihrer Kapazität zur Informationsspeicherung. Ein Qubit, die Grundeinheit, die in der Quanten­informatik verwendet wird, kann aufgrund der Quanten­superposition gleichzeitig in zwei Zuständen existieren, typischerweise dargestellt als 0 und 1, ähnlich wie Bits in der klassischen Informatik. Dies ermöglicht ihm, komplexe Berechnungen effizienter durchzuführen als klassische Bits.

Qudits hingegen sind eine Generalisierung von Qubits und können gleichzeitig in d Zuständen existieren, wobei d > 2 ist. Diese höhere Dimensionalität ermöglicht es Qudits, mehr Informationen als Qubits zu speichern, was möglicherweise zu effizienterer Datenverarbeitung und Kommunikation in quantenbasierten Systemen führt, da sie mit weniger Qudits Operationen ausführen können, die mehrere Qubits erfordern würden, wodurch die Effizienz gesteigert und die Komplexität in Quantenalgorithmen reduziert wird.

Die neue Technik nutzt zwei Eigenschaften des Lichts – räumlicher Modus und Polarisation –, um vierdimensionale Qudits zu erstellen. Diese Qudits werden auf einem speziellen Chip aufgebaut, der eine präzise Manipulation ermöglicht. Diese Manipulation führt zu schnelleren Datenübertragungs­raten und erhöhter Fehlerresistenz im Vergleich zu herkömmlichen Methoden.

Einer der Hauptvorteile dieses Ansatzes ist die Fähigkeit der Qudits, ihre Quanten­eigenschaften über große Entfernungen hinweg beizubehalten. Dies macht sie ideal für Anwendungen wie satellitenbasierte Quantenkommunikation, bei denen Daten große Entfernungen zurücklegen müssen, ohne ihre Integrität zu verlieren.

Abbildung 2. (a) Die experimentell abgerufenen (obere Reihe) und theoretisch vorhergesagten (untere Reihe) Dichte­matrizen von zwei ausgewählten Quantenzuständen. (b) Theoretisch (linkes Panel) und experimentell abgerufene (rechtes Panel) Wahrscheinlichkeit-der-Detektions­matrix. Credit: Haoqi Zhao, Yichi Zhang, Zihe Gao, Jieun Yim, Shuang Wu, Natalia M. Litchinitser, Li Ge und Liang Feng

Der Prozess beginnt mit der Erzeugung eines speziellen verschränkten Zustands unter Verwendung zweier Photonen. Verschränkung ist ein Phänomen, bei dem zwei Teilchen miteinander verbunden werden und das gleiche Schicksal teilen, unabhängig von der physischen Trennung. In diesem Fall wird ein Photon (das Signalphoton) auf dem Chip manipuliert, um ein 4D-Qudit unter Verwendung seines räumlichen Modus und Polarisation zu erzeugen. Das andere Photon (Idler-Photon) bleibt unverändert und fungiert als Fernbedienung für das Signalphoton (Abb. 1).

Durch die Manipulation des Idler-Photons können Wissenschaftler den Zustand des Signalphotons steuern und Informationen darauf kodieren (Abb. 2).

Diese neue Methode hat das Potenzial, das Feld der Quantenkommunikation zu revolutionieren. Sie ebnet den Weg für ein Hochgeschwindigkeits-Quanten­internet, das riesige Datenmengen sicher über große Entfernungen übertragen kann. Darüber hinaus kann sie zur Entwicklung unknackbarer Verschlüsselungs­protokolle führen und zur Schaffung leistungsstarker Quantencomputer beitragen, die in der Lage sind, Probleme zu lösen, die außerhalb der Reichweite klassischer Computer liegen.

Die Forscher konzentrieren sich derzeit auf die Verbesserung der Genauigkeit der Qudits und die Skalierung der Technologie, um noch höhere Dimensionen zu bewältigen. Sie glauben, dass dieser Ansatz das Potenzial hat, die Quantenkommunikation zu revolutionieren.