Quanten-Internet

Die Idee des Quantencomputers verspricht uns viel: Problemlösungen in (nahezu) Echtzeit und eine nicht zu knackende Datenübertragung. Bislang existieren allerdings nur vereinzelte, kleine Demonstrationsanlagen in einigen Laboren auf der Welt. Prem Kumar, Professor für Elektrotechnik und Computerwissenschaften an der Northwestern University, hat nun erste Schritte unternommen, die die Technologie praktikabler machen soll. Der Wissenschaftler und sein Team zeigten, dass sie ein Quanten-Logikgatter innerhalb optischer Fasern aufbauen können. Diese grundlegende Komponente eines Quantencomputers könnte Teil von Schaltungen werden, die Informationen sicher übertragen – über Hunderte von Kilometern Glasfaserkabel von einem Quantencomputer zum anderen. Einzeln verwendet, ließe sich die Technik womöglich zum Lösen komplexer mathematischer Probleme nutzen.

Ein Logikgatter ist eine Komponente, die einen Input erhält, an diesem dann eine logische Operation durchführt und einen Output generiert. Kumar und sein Team schufen ein kontrolliertes NOT-Gatter, das im klassischen Computersinn aus einem auf 1 lautenden Bit eines mit dem Wert 0 macht – und umgekehrt. Quanten-Logikgatter wie das von Kumar vorgeschlagene wurden bereits entwickelt, aber sie arbeiteten stets mit Laserstrahlen, die durch die Luft übertragen wurden – nicht mit Fasern. Das neue Gatter soll nun die Grundlagen für Experimente legen, die die Möglichkeiten von Quantencomputern innerhalb von Glasfasernetzen aufzeigen, wie Kumar sagt. "Das Spannende daran ist, dass erste Anwendungen in Reichweite sind." Innerhalb des nächsten Jahres wollen Kumar und sein Team das Gatter so bei einer komplexen Online-Auktion über ein sicheres Quantennetzwerk testen.

Forscher am MIT, bei IBM und in anderen Firmen und Hochschulen arbeiten seit Beginn der Achtzigerjahre an Quantenrechnern, als das Konzept erstmals vorgeschlagen wurde. Ein Quantencomputer ist ein Gerät, das Bits verarbeitet, in dem quantenmechanische Eigenschaften von Partikeln wie Elektronen und Photonen ausgenutzt werden. Ein Quantencomputer kann so zumindest theoretisch exponentiell mehr Informationen verarbeiten als ein klassischer Rechner. Die Informationseinheit im klassischen Computer ist das Bit, das entweder für 1 oder 0 steht. Bei einem Quantencomputer ist es das Qubit, das sowohl 1 als auch 0 repräsentiert – zur gleichen Zeit. Da Qubits mit mehreren Werten gleichzeitig rechnen, verdoppelt sich die Rechenleistung eines Quantencomputers mit jedem zusätzlichen Qubit. Diese Eigenschaft würde einen Quantenrechner ermöglichen, der mit nur wenigen Hundert Qubits die schnellsten Supercomputer unserer Tage überholt.

Kumars Gruppe stellt ihre Qubits aus so genannten verschränkten Photonen her. Das bedeutet, dass ihre physikalischen Eigenschaften wie ihre Polarisation so miteinander in Verbindung stehen, dass ein Photon des Paares sofort einen entsprechenden Status annimmt, sobald der Zustand des zweiten Photons gemessen wird. Vor einigen Jahren zeigte Kumar, dass optische Fasern selbst dazu beitragen, dass sich Photonen verschränken – und sich dieser Zustand über Distanzen von 100 Kilometern erhalten ließ. Seine neue Studie geht nun einen Schritt weiter – und schafft Logikgatter, die Photonpaare verschränken.

Um das Gatter zu nutzen, braucht Kumar Photonen, die bis auf ihre Polarisation (die Ausrichtung ihres elektromagnetischen Feldes) gleichartig sind. Diese identischen Photonen werden durch einen Lichtleiter zum Gatter selbst geschickt – ein kleines Labyrinth aus Komponenten, die Photonen in verschiedene Richtungen leiten, je nach ihrer Polarisation. Wenn bestimmte Photonenpaare durch dieses Labyrinth wandern, werden sie verschränkt. Doch nicht alle Photonen gelangen auch durch das Gatter – nur wenn die Photonen ihre Detektoren am anderen Ende erreichen, können die Forscher messen, ob sie verschränkt sind oder nicht – und so wissen, ob das Gatter funktioniert hat.

Dazu wird eine Sammlung von Photonen abgefeuert. "Dann muss gewartet werden", sagt Carl Williams, Koordinator beim Quanten-IT-Programm des National Institute of Standards and Technology (NIST). "Meistens funktioniert das Gatter nicht – das ist eine Frage der Wahrscheinlichkeitsrechnung." In diesem Fall verwerfen die Forscher die unverschränkten Photonen einfach. "Das Tolle an dieser Arbeit ist, dass sie direkt im Lichtleiter abläuft. Das ist enorm wichtig, weil dies zu einem verteilten Netzwerk führen könnte." Die naheliegendste Anwendung sei die Fern-Quantenkommunikation zwischen zwei kleineren Quantenrechnern, meint Williams.

Eines der wichtigsten Elemente bei konventionellen optischen Netzen sind Geräte, die sich Repeater nennen – sie verstärken das Signal, das sich über große Entfernungen abgeschwächt hat. Williams glaubt, dass ein Quanten-Logikgatter nach Kumars Plänen in einen Repeater eingebaut werden könnte, der das Signal verstärkt, ohne dass die Verschränkung der Photonen verloren geht.

"Das ist ein wichtiger Schritt in Richtung eines Quanten-Internet", meint auch Seth Lloyd, Professor für Maschinenbau am MIT und ein führender Forscher auf dem Gebiet der Quanten-IT. "Ein solches Netzwerk würde Dinge beherrschen, die das gewöhnliche Internet nicht kann. Die Kommunikation wäre automatisch sicher."

Lloyd weist darauf hin, dass Kumars Studie zeige, wie einfache Quanten-Logik-Operationen an einzelnen Photonen vorgenommen werden können. Es handele sich um einen wichtigen Fortschritt im Bereich der Quantennetze. (bsc)