Quanten-Übertragung auf Knopfdruck

Daten¨¹bertragung ist das R¨¹ckgrat der modernen Informationsgesellschaft, im Grossen wie im Kleinen. Im Internet werden Daten, meist ¨¹ber Glasfaserkabel, zwischen Computern auf der ganzen Welt ausgetauscht. Innerhalb eines einzelnen Computers wiederum m¨¹ssen st?ndig Informationen zwischen verschiedenen Prozessoren hin und her gesendet werden. Auch f¨¹r die neuen Quanten-Informationstechnologien, die derzeit entwickelt werden, ist ein zuverl?ssiger Datenaustausch von grosser Bedeutung ¨C doch zugleich auch extrem schwierig. An der ETH Z¨¹rich ist es Physikern um Andreas Wallraff vom Labor f¨¹r Festk?rperphysik nun gelungen, Quanten-Informationen zwischen zwei knapp einen Meter voneinander entfernten Quanten-Bits auf Kommando und mit hoher G¨¹te zu ¨¹bertragen. Ihre Ergebnisse erscheinen diese Woche in der Fachzeitschrift externe Seite Nature.

Fliegende Quanten-Bits

Das Besondere an Quanten-Informationstechnologien ¨C dazu geh?ren etwa Quantencomputer und Quantenverschl¨¹sselung ¨C liegt in der Verwendung von Quanten-Bits oder ?Qubits? als elementares Informationselement. Anders als klassische Bits k?nnen Qubits nicht nur den Wert 0 oder 1 haben, sondern auch so genannte ?berlagerungszust?nde einnehmen. Daraus ergibt sich einerseits die M?glichkeit, enorm leistungsf?hige Computer zu bauen, die mit diesen ?berlagerungszust?nden viel effizienter und schneller rechnen k?nnen als klassische Computer.

Andererseits sind diese Zust?nde aber auch sehr empfindlich und nicht ohne weiteres mit herk?mmlichen Methoden zu ¨¹bertragen. Zun?chst muss n?mlich der Zustand eines station?ren Qubits in ein so genanntes ?fliegendes? Qubit verwandelt werden, zum Beispiel in ein Photon, und anschliessend zur¨¹ck auf ein anderes station?res Qubit. Vor einigen Jahren konnten Forscher auf diese Weise den Quantenzustand eines Atoms ¨¹bertragen. Wallraff und seinen Mitarbeitern ist es nun erstmals gelungen, eine solche ?bertragung auch von einem supraleitenden Festk?rper-Qubit auf ein anderes zu realisieren, das sich in einiger Entfernung befand.

Dazu verbanden die Physiker zwei supraleitende Qubits mit einem Koaxialkabel, wie es auch f¨¹r Antennenanschl¨¹sse verwendet wird. Der Quantenzustand des ersten Qubits, der durch die Anzahl der in ihm enthaltenen supraleitenden Elektronenpaare (so genannte Cooper-Paare) definiert ist, wurde zun?chst mit Hilfe von sehr genau kontrollierten Mikrowellenpulsen auf ein Mikrowellen-Photon eines Resonators ¨¹bertragen. Aus diesem Resonator konnte das Photon dann ¨¹ber das Koaxialkabel in einen zweiten Resonator fliegen, in dem sein Quantenzustand wiederum durch Mikrowellenpulse auf das zweite Qubit ¨¹bertragen wurde. ?hnliche Experimente wurden k¨¹rzlich auch an der Yale University durchgef¨¹hrt.

Deterministisch statt probabilistisch

?Das Wichtige an unserer Methode ist, dass die ?bertragung des Quantenzustands deterministisch, also auf Knopfdruck, funktioniert?, betont Philipp Kurpiers, der in Wallraffs Labor als Doktorand arbeitet. In einigen fr¨¹heren Experimenten konnte zwar eine ?bertragung von Quantenzust?nden erreicht werden, aber diese war probabilistisch: Manchmal funktionierte sie, meistens aber nicht. Eine erfolgreiche ?bertragung konnte zum Beispiel durch ein ?Verk¨¹ndigungs-Photon? angezeigt werden. Hatte die ?bertragung nicht geklappt, so probierte man es einfach noch einmal. Die effektive Quanten-Datenrate wurde dadurch nat¨¹rlich stark reduziert. F¨¹r praktische Anwendungen sind daher deterministische Methoden, wie sie jetzt an der ETH demonstriert wurden, von Vorteil.

?Unsere ?bertragungsrate f¨¹r Quantenzust?nde ist eine der h?chsten, die je realisiert wurden, und unsere ?bertragungsg¨¹te ist mit 80 Prozent sehr gut?, sagt Andreas Wallraff. Mit Hilfe ihrer Technik k?nnen die Forscher auch eine quantenmechanische Verschr?nkung zwischen den Qubits herbeif¨¹hren, und das mehr als 50'000 Mal pro Sekunde. Die ?bertragungsprozedur selber dauert dabei weniger als eine Millionstel Sekunde, so dass auch bei der ?bertragungsrate noch Luft nach oben ist. Quantenmechanische Verschr?nkung erzeugt eine innige Verbindung zwischen zwei Quantenobjekten auch ¨¹ber grosse Distanzen, die f¨¹r Verschl¨¹sselungstechniken oder Quanten-Teleportation genutzt wird.

Quanten¨¹bertragung f¨¹r Quantencomputer

Als N?chstes wollen die Forscher versuchen, jeweils zwei Qubits als Sender und Empf?nger zu verwenden, wodurch zum Beispiel ein Verschr?nkung-Austausch zwischen den Qubit-Paaren m?glich wird. Ein solcher Prozess ist n¨¹tzlich f¨¹r gr?ssere Quantencomputer, die in den n?chsten Jahren gebaut werden sollen. Bisher bestehen diese zwar nur aus einigen wenigen Qubits, doch wenn man gr?ssere Rechner bauen will, wird sich schon ab ein paar Hundert Qubits die Frage stellen, wie man diese am effektivsten miteinander verbindet, um die Vorteile eines Quantenrechners am besten auszunutzen.

?hnlich wie bei heute verwendeten Clustern von Einzelrechnern k?nnten dann Quantencomputer-Module mithilfe der von Wallraff entwickelten Technik miteinander verbunden werden. Dabei k?nnte die jetzige ?bertragungsdistanz von einem Meter durchaus noch gesteigert werden. Wallraff und seine Mitarbeiter haben k¨¹rzlich gezeigt, dass ein extrem stark gek¨¹hltes und dadurch supraleitendes Kabel Mikrowellenphotonen verlustarm ¨¹ber Strecken von einigen zehn Meter ¨¹bertragen kann. Die Verkabelung eines Quanten-Rechenzentrums w?re so also durchaus machbar.