Ein jüngster Fortschritt in der Quantentechnologie könnte den Weg für ein globales Quanteninternet ebnen und die Reichweite, in der Quantencomputer miteinander kommunizieren können, erheblich erweitern. Quantencomputer, die bisher durch die Entfernung begrenzt waren, könnten dank einer neuen Methode zum Bau von Schlüsselkomponenten bald über Kontinente hinweg Verbindungen herstellen.
Die Distanzbarriere in der Quantenkommunikation
Quantencomputer verfügen über bemerkenswerte Verarbeitungsfähigkeiten und Geschwindigkeit, aber die effektive Nutzung dieser Leistung erfordert ein robustes und vernetztes Netzwerk. Eine erhebliche Hürde ist derzeit die Schwierigkeit, diese Computer über große Entfernungen zu verbinden. Bisher war die maximale Entfernung für die Kommunikation über Glasfaserkabel auf wenige Kilometer beschränkt. So konnte beispielsweise ein Quantencomputer auf dem South Side-Campus der University of Chicago selbst mit Glasfaserkabeln keine Verbindung zu einem Computer im Willis Tower in der Innenstadt von Chicago herstellen.
Eine 200-fache Erhöhung der Verbindungsreichweite
Eine heute in Nature Communications veröffentlichte Forschungsarbeit von Assistenzprofessor Tian Zhong von der University of Chicago Pritzker School of Molecular Engineering (UChicago PME) schlägt eine Lösung für diese Einschränkung vor. Zhongs Methode erweitert theoretisch die maximale Verbindungsentfernung auf erstaunliche 2.000 Kilometer (1.243 Meilen). Diese Änderung bedeutet, dass derselbe UChicago-Quantencomputer, der zuvor den Willis Tower nicht erreichen konnte, nun eine Verbindung zu einem Gegenstück in Salt Lake City, Utah, herstellen und mit diesem kommunizieren kann.
„Zum ersten Mal ist die Technologie für den Aufbau eines globalen Quanteninternets in greifbare Nähe gerückt“, sagte Zhong, der kürzlich für seine Arbeit mit dem prestigeträchtigen Sturge-Preis ausgezeichnet wurde.
Die Wissenschaft hinter dem Durchbruch
Bei der Verbindung von Quantencomputern geht es darum, eine Quantenverschränkung zwischen Atomen herzustellen, die über ein Glasfaserkabel übertragen wird. Je länger diese verschränkten Atome ihre Quantenkohärenz – im Wesentlichen ihre Fähigkeit, einen Quantenzustand beizubehalten – aufrechterhalten, desto größer ist die Entfernung zwischen Computern, die verbunden werden können.
Zhong und sein Team verbesserten die Quantenkohärenzzeiten erheblich, indem sie die Herstellung von Erbiumatomen verbesserten, einem entscheidenden Element bei der Erzeugung von Verschränkungen. Sie erhöhten die Kohärenzzeiten von 0,1 Millisekunden auf über 10 Millisekunden, wobei in einem Fall 24 Millisekunden erreicht wurden. Diese Verbesserung würde es Quantencomputern theoretisch ermöglichen, sich über Entfernungen von 4.000 Kilometern zu verbinden – ungefähr die Entfernung von UChicago PME nach Ocaña, Kolumbien.
Keine neuen Materialien, sondern eine neue Methode
Bei der Innovation ging es um neue Materialien, sondern darum, wie diese Materialien aufgebaut sind. Die Forscher nutzten eine Technik namens „Molekularstrahlepitaxie“ (MBE) anstelle der traditionellen „Czochralski-Methode“, um die mit seltenen Erden dotierten Kristalle zu erzeugen, die für die Quantenverschränkung erforderlich sind.
Die Czochralski-Methode, erklärte Zhong, sei wie ein „Schmelztiegel“, in dem Zutaten gemischt und bei extrem hohen Temperaturen (über 2.000 Grad Celsius) geschmolzen werden, bevor sie langsam abkühlen, um einen Kristall zu bilden. Diese Kristalle werden dann chemisch in Computerkomponenten „geschnitzt“. Im Gegensatz dazu ähnelt MBE eher dem 3D-Druck, bei dem der Kristall Schicht für Schicht aufgebaut wird.
„Wir beginnen mit nichts und bauen dieses Gerät dann Atom für Atom zusammen“, sagte Zhong. „Die Qualität bzw. Reinheit dieses Materials ist so hoch, dass die Quantenkohärenzeigenschaften dieser Atome hervorragend werden.“
Anpassung bestehender Techniken
Obwohl MBE eine bekannte Technik ist, wurde sie noch nie zur Herstellung dieser speziellen Art von mit Seltenen Erden dotiertem Material eingesetzt. Zhong und sein Team arbeiteten mit Assistenzprofessor Shuolong Yang von der UChicago PME, einem Experten für Materialsynthese, zusammen, um MBE für diesen Zweck anzupassen.
Expertenvalidierung
Der Fortschritt wurde von führenden Experten auf diesem Gebiet gelobt. „Der in dieser Arbeit vorgestellte Ansatz ist äußerst innovativ“, erklärte Professor Dr. Hugues de Riedmatten vom Institut für Photonische Wissenschaften. „Es zeigt, dass ein gut kontrollierter Bottom-up-Ansatz der Nanofabrikation zur Realisierung einzelner Seltenerdionen-Qubits mit hervorragenden optischen und Spinkohärenzeigenschaften führen kann.“
Was kommt als nächstes?
Zhong und sein Team konzentrieren sich nun darauf, zu testen, ob die verlängerten Kohärenzzeiten tatsächlich Quantenverbindungen über große Entfernungen ermöglichen. Ihr nächster Schritt besteht darin, zwei Qubits – jedes in separaten Verdünnungskühlschränken in Zhongs Labor untergebracht – über 1.000 Kilometer gespultes Kabel zu verbinden. Dieser erste Test ist zwar nicht der letzte Schritt, wird sich jedoch als entscheidend für die Validierung der Technologie und die Annäherung der Vision eines globalen Quanteninternets an die Realität erweisen.
Dieser Durchbruch stellt einen bedeutenden Schritt in Richtung einer Zukunft dar, in der Quantencomputer nahtlos miteinander verbunden werden können, wodurch beispiellose Rechenleistung freigesetzt und Innovationen in zahlreichen Bereichen vorangetrieben werden.
