Die Quantenphysik wird uns noch schnellere Rechner und eine abhörsichere Kommunikation bringen. Bis zum Durchbruch sind aber noch eine Reihe von Problemen zu lösen. Der Prototyp einer Quantenschnittstelle, der am Institute for Science and Technology (IST) Austria entwickelt wurde, bringt uns dem Quanteninternet einen Schritt näher. Die Übertragung von Informationen von einem Quantencomputer zum anderen wird möglich.

Ein Problem des Quantencomputers ist, dass die Elektronik nur bei extrem niedrigen Temperaturen von wenigen tausendstel Grad über dem absoluten Nullpunkt von -273.15 °C funktioniert. Steigt die Temperatur im Computer, werden alle Informationen zerstört. Der Grund dafür liegt in der Supraleitung – einem makroskopischen Quantenzustand von Materialien, deren elektrischer Widerstand beim Unterschreiten der Sprungtemperatur abrupt auf Null fällt. Im Fall des Quantencomputers sind dies Mikrowellenphotonen, die extrem empfindlich gegenüber Rauschen und Verlusten sind.

Diese Temperaturempfindlichkeit macht es derzeit fast unmöglich, Informationen von einem Quantencomputer auf einen anderen zu übertragen. Die Informationen müssten eine Umgebung durchqueren, in deren hohen Temperaturen sie nicht bestehen könnten.

Herausforderung Quantenschnittstelle

Netzwerke von klassischen Computern werden meist über optische Glasfaserleitungen verbunden, die sehr robust gegen Störungen sind. Szenarien, diese erfolgreiche Technologie auch für Quantencomputer nutzen zu können, wären folgende:

  • Eine Verbindung zu schaffen, welche die Mikrowellenphotonen des Quantencomputers in optische Informationsträger umwandeln kann;
  • Ein Gerät zu entwickeln, das verschränkte Mikrowellen und optische Felder als Grundlage für eine Quantenteleportation erzeugt;

Mechanischer Oszillator

Beide Varianten versprechen eine Brücke zwischen dem optischen System auf Raumtemperatur und der kalten Quantenwelt, erklärt Shabir Barzanjeh, Postdoc in der Gruppe von Professor Johannes Fink am Institute of Science and Technology (IST) Austria. Er ist Erstautor einer nun publizierten Studie, aus der ein mechanischer Oszillator hervorging, der als Schnittstelle zwischen den empfindlichen, kalten Quantencomputern und den Signalen in optischen Fasern dienen kann.

Prinzip der Verschränkung

Dabei nutzten die Forschenden die Verschränkung, eines der Grundprinzipien in der Quantenmechanik. Diese beschreibt eine Verbindung zwischen zwei Teilchen, in der eine Zustandsveränderung des einen Teilchens zeitgleich zu einer korrespondierenden Veränderung des anderen Teilchens führt. Das Phänomen wird bereits in der Quanten-Kryptographie zur sicheren Verschlüsselung von Daten angewendet, eignet sich aber auch für eine Anwendung in der Mikrowellenstrahlung. Barzanjeh: „Stellen Sie sich eine Box mit zwei Ausgängen vor. Sind die Ausgänge verschränkt, kann man die Strahlung, die aus dem einem austritt, durch Beobachten des anderen charakterisieren.“

Physikern vom IST Austria ist es erstmals gelungen, eine verschränkte Strahlung mit einem mechanischen Objekt zu erzeugen. Das Gerät könnte als Schnittstelle zwischen Quantencomputern dienen.

Riese in der Quantenwelt

Verschränkte Strahlung konnte bereits zuvor erzeugt werden. Aber die Forschenden um Professor Fink verwendeten erstmals ein mechanisches Objekt. Der Siliziumbalken, den die Gruppe erzeugte, maß eine Länge von dreißig Mikrometern und eine Gesamtzahl von etwa einer Billion(10^12) Atome. Das ist für die Quantenwelt riesig. Quanteneffekte sind am einfachsten auf atomarer Ebene zu nutzen. Ungleich schwieriger ist es, diese in größerem Maßstab zu realisieren. Barzanjeh:

„Die Frage, die wir uns gestellt haben, war: Kann man mit einem so großen System verschränkte Strahlung erzeugen? Jetzt wissen wir, die Antwort lautet: Ja.“

Weitere Anwendungen

Es gibt aber noch andere Einsatzmöglichkeiten für den mechanischen Oszillator. So könnte dieser auch die Leistung von Gravitationswellendetektoren verbessern. Das ist ein experimenteller Aufbau, mit dem geringe Störungen der Raumzeit (Gravitationswellen) gemessen werden, welche von Albert Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie vorhergesagt wurden.

Professor Fink sieht noch allgemeinere Anwendungen für den mechanischen Oszillator: „Unser Messprinzip könnte (…) in Zukunft dazu beitragen, die potenzielle Quantennatur anderer schwer untersuchbarer Systeme wie die lebender Organismen oder des Gravitationsfelds zu verifizieren beziehungsweise zu falsifizieren.“

Integration von Quantentechnologie

Die Physiker um Professor Johannes Fink am Institute of Science and Technology Austria arbeiten an der Entwicklung von Quantentechnologien für chipbasierte Geräte im elektrischen, mechanischen und optischen Bereich. Mögliche Anwendungsgebiete sind Simulation, Kommunikation, Meteorologie und Sensorik.

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