Quanteninternet, nicht nur Zukunftsmusik? Ein Blick auf das Internet der nächsten Generation

Es ist eine Sache, von einem Quanteninternet der nächsten Generation zu träumen, das in der Lage ist, hochkomplexe, hackersichere Informationen mit Höchstgeschwindigkeit um die Welt zu schicken. Eine ganz andere Sache ist es, zu zeigen, dass es möglich ist – doch das ist jetzt gelungen.

Denn genau das haben Harvard-Physiker getan, indem sie die weltweit längste Glasfaserverbindung zwischen zwei Quantenspeicherknoten über Telekommunikationsfasern im Großraum Boston demonstrierten. Man stelle sich das Ganze als ein einfaches, in sich geschlossenes Internet vor, das ein Signal überträgt, das nicht wie das heutige Internet mit klassischen Bits codiert ist, sondern mit absolut sicheren, einzelnen Lichtteilchen.

Voraussetzungen für das erste Quanteninternet

Die Arbeit wurde von Mikhail Lukin, Universitätsprofessor für Physik, in Zusammenarbeit mit den Harvard-Professoren Marko Lončar und Hongkun Park, alle Mitglieder der Harvard Quantum Initiative, geleitet sowie mit Forschern von Amazon Web Services durchgeführt.

Das Harvard-Team schuf die praktischen Voraussetzungen für das erste Quanteninternet, indem es zwei Quantenspeicherknoten miteinander verband, die durch eine Glasfaserverbindung getrennt waren, die über eine etwa 22 Meilen (35,41 km) lange Schleife durch Cambridge, Somerville, Watertown und Boston verlief. Die beiden Knoten befanden sich auf einem Stockwerk im Laboratory for Integrated Science and Engineering von Harvard.

Der Quantenspeicher, der dem klassischen Computerspeicher ähnelt, ist eine wichtige Komponente für die Zukunft des Quantencomputers, da er komplexe Netzwerkoperationen sowie das Speichern und Abrufen von Informationen ermöglicht. Während in der Vergangenheit bereits andere Quantennetzwerke geschaffen wurden, ist das des Harvard-Teams das längste Fasernetzwerk zwischen Geräten, die Informationen speichern, verarbeiten und bewegen können.

Realer Nachweis für das Internet der Zukunft

Jeder Knoten ist ein sehr kleiner Quantencomputer, der aus einem Diamantsplitter besteht, der in seiner atomaren Struktur einen Defekt aufweist, der als Silizium-Leerstellenzentrum bezeichnet wird. In den Diamanten sind Strukturen eingraviert, die kleiner sind als ein Hundertstel der Breite eines menschlichen Haares, um die Wechselwirkung zwischen dem Silizium-Vakanzzentrum und dem Licht zu verstärken.

Das Silizium-Vakanzzentrum enthält zwei Qubits oder Bits mit Quanteninformation: Eines in Form eines Elektronenspins, der für die Kommunikation verwendet wird, und eines in Form eines langlebigeren Kernspins, der als Speicher-Qubit zur Speicherung der Verschränkung verwendet wird.

Die Verwendung von Silizium-Vakanzzentren als Quantenspeicher für einzelne Photonen ist ein mehrjähriges Forschungsprogramm in Harvard. Die Technologie löst ein Hauptproblem des geplanten Quanteninternets: Signalverluste, die mit herkömmlichen Methoden nicht ausgeglichen werden können.

Sind aktuelle Probleme gelöst?

Ein Quantennetzwerk kann keine herkömmlichen Glasfaser-Signalverstärker verwenden, da sich Quanteninformation nicht einfach in Form diskreter Bits kopieren lässt – was die Information zwar sicher, aber auch sehr schwer über weite Strecken transportierbar macht.

Netzwerkknoten auf der Basis von Silizium-Vakanzzentren können Quanteninformationsbits einfangen, speichern und verschränken und gleichzeitig Signalverluste kompensieren. Nach dem Abkühlen der Knoten auf nahezu den absoluten Nullpunkt wird Licht durch den ersten Knoten geschickt und aufgrund der atomaren Struktur des Silizium-Vakanzzentrums mit diesem verschränkt, sodass die Information übertragen werden kann.

„Da das Licht bereits mit dem ersten Knoten verschränkt ist, kann es diese Verschränkung auf den zweiten Knoten übertragen“, erklärt Can Knaut, Erstautor der Studie und Student an der Kenneth C. Griffin Graduate School of Arts and Sciences in Lukins Labor. „Wir nennen das photonenvermittelte Verschränkung.“

Erst der Anfang

In den letzten Jahren haben die Forscher für ihre Experimente Glasfaserkabel von einem Unternehmen in Boston gemietet und ihr Demonstrationsnetzwerk über die vorhandenen Fasern gelegt, um zu zeigen, dass es möglich ist, ein Quanteninternet mit ähnlichen Netzwerkleitungen aufzubauen.

„Der Nachweis, dass Quantennetzwerkknoten in der realen Umgebung eines belebten Stadtgebiets verschränkt werden können, ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur praktischen Vernetzung von Quantencomputern“, sagt Lukin.

Ein Quantennetzwerk mit zwei Knoten ist erst der Anfang. Die Forscher arbeiten eifrig daran, die Leistung ihres Netzwerks zu steigern, indem sie weitere Knoten hinzufügen und mit anderen Netzwerkprotokollen experimentieren.