Physiker demonstrieren das erste Quantencomputernetzwerk im Großraum Boston

15. Mai 2024

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durch Harvard Universität

Es ist das eine, ein Quanteninternet zu erträumen, das hacker-sichere Informationen über superponierte Photonen in verschiedenen Quantenzuständen rund um die Welt sendet. Aber es ist etwas ganz anderes, dies physisch zu demonstrieren.

Genau das haben Physiker von Harvard getan, und zwar mit bestehenden Glasfasern in der Region Boston. Dabei haben sie die weltweit längste Glasfaserstrecke zwischen zwei Quantenspeicherknoten demonstriert. Stellen Sie es sich als einfaches, geschlossenes Internet zwischen Punkt A und B vor, das ein Signal überträgt, welches nicht durch klassische Bits wie beim existierenden Internet kodiert ist, sondern durch perfekt sichere, einzelne Lichtteilchen.

Die bahnbrechende Arbeit mit dem Titel "Verschränkung von nanophotonischen Quantenspeicherknoten in einem Telekommunikationsnetzwerk", die in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, wurde von Mikhail Lukin, dem Joshua und Beth Friedman Universitätsprofessor in der Abteilung für Physik, in Zusammenarbeit mit den Harvard-Professoren Marko Lončar und Hongkun Park durchgeführt, die allesamt Mitglieder der Harvard Quantum Initiative sind, zusammen mit Forschern bei Amazon Web Services.

Das Harvard-Team stellte die praktischen Grundlagen des ersten Quanteninternets her, indem es zwei Quantenspeicherknoten verschlang, die durch eine Glasfaserstrecke von etwa 22 Meilen durch Cambridge, Somerville, Watertown und Boston getrennt waren. Die beiden Knoten befanden sich jeweils auf unterschiedlichen Etagen im Labor für Integrierte Wissenschaft und Technik der Harvard University.

Quantenspeicher, analog zum klassischen Computerspeicher, ist eine wichtige Komponente einer vernetzten Quanten-Computing-Zukunft, da er komplexe Netzwerkoperationen sowie Speichern und Abrufen von Informationen ermöglicht. Während in der Vergangenheit bereits andere Quantennetzwerke realisiert wurden, ist das von Harvard das längste Glasfasernetzwerk zwischen Geräten, die Informationen speichern, verarbeiten und bewegen können.

Jeder Knoten ist ein sehr kleiner Quantencomputer, der aus einem Diamanten besteht, der in seiner atomaren Struktur einen Fehler - ein Silizium-Vakuum-Zentrum - aufweist. Innerhalb des Diamanten verstärken kleinere Strukturen als ein hundertstel der Breite eines menschlichen Haares die Interaktion zwischen dem Silizium-Vakuum-Zentrum und Licht.

Das Siliziumvakuumzentrum enthält zwei Qubits oder Bits von quanten mechanischen Informationen: eines in Form eines Elektronenspins zur Kommunikation und das andere in einem langlebigeren Kernspin als Speicher-Qubit zur Speicherung von Verschränkung (die quanten mechanische Eigenschaft, die es ermöglicht, dass Informationen über jede Entfernung perfekt korreliert sind).

Beide Spins sind vollständig steuerbar mit Mikrowellenpulsen. Diese Diamantgeräte - nur wenige Millimeter Quadrat - befinden sich in Verdünnungskühlgeräten, die Temperaturen von -459°F erreichen.

Die Verwendung von Siliziumvakuumzentren als Quantenspeichergeräte für einzelne Photonen ist seit mehreren Jahren ein Forschungsprogramm in Harvard. Die Technologie löst ein großes Problem im theorisierten Quanteninternet: Signalverlust, der auf traditionelle Weise nicht verstärkt werden kann.

Ein Quantennetzwerk kann keine herkömmlichen optischen Glasfasersignalwiederholer verwenden, da das Kopieren von willkürlichen Quanteninformationen unmöglich ist - wodurch die Informationen sicher sind, aber auch sehr schwer über lange Strecken zu transportieren sind.

Netzwerkknoten, die auf Silizium-Vakuum-Zentren basieren, können Bits von Quanteninformationen einfangen, speichern und verschlüsseln und gleichzeitig den Signalverlust korrigieren. Nachdem die Knoten auf nahezu den absoluten Nullpunkt abgekühlt wurden, wird Licht durch den ersten Knoten gesendet und wird aufgrund der atomaren Struktur des Silizium-Vakuum-Zentrums mit ihm verschlüsselt.

"Da das Licht bereits mit dem ersten Knoten verschlungen ist, kann es diese Verschränkung auf den zweiten Knoten übertragen", erklärte der Erstautor Can Knaut, ein Student der Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences in Lukins Labor. "Wir nennen dies photonenvermittelte Verschränkung."

In den letzten Jahren haben die Forscher Glasfaser von einem Unternehmen in Boston für ihre Experimente gemietet, um zu demonstrieren, dass die Schaffung eines Quanteninternets mit ähnlichen Netzwerklinien möglich wäre.

"Zu zeigen, dass Quantennetzwerkknoten in der realen Weltumgebung einer sehr belebten städtischen Gegend miteinander verschlungen werden können, ist ein wichtiger Schritt hin zu praktischer Vernetzung zwischen Quantencomputern", sagte Lukin.

Ein Zwei-Knoten-Quantennetzwerk ist nur der Anfang. Die Forscher arbeiten eifrig daran, die Leistung ihres Netzwerks durch Hinzufügen von Knoten und Experimentieren mit mehr Netzwerkprotokollen zu erweitern.

Journal information: Nature

Provided by Harvard University