Quantencomputer werden immer leistungsfähiger, und die besten Systeme können für spezielle Rechnungen bereits mit den schnellsten Supercomputern mithalten. Inzwischen haben einige dieser Maschinen, die für ihre Kalkulationen die bizarren Gesetze der Quantenphysik nutzen, Einzug in Rechenzentren gehalten, wo sie Forschern aller Disziplinen zur Verfügung stehen, die damit hoffen, Optimierungsaufgaben und andere Fragestellungen etwa aus der Materialforschung, Pharmazie und Chemie schnell lösen zu können.
Doch trotz großer Fortschritte ist man von der Entwicklung eines universell einsetzbaren und fehlertoleranten Quantencomputers, der Aufgaben aller Art zuverlässig und mit hinreichend geringen Fehlerraten löst, noch weit entfernt. Die existierenden Systeme verfügen gegenwärtig über etwa 100 Quantenbits und sind damit zu klein. Zur quanteninformatischen Lösung interessanter Probleme werden Millionen von Qubits benötigt.
Die Tücken der Skalierbarkeit
Eine große Hürde ist die mangelnde Skalierbarkeit: Quantenprozessoren lassen sich nicht so ohne Weiteres ausbauen, indem man einfach die Zahl der Quantenbits vergrößert. Denn je größer die Zahl der elementaren quantenphysikalischen Informationsträger, desto schwieriger wird es, jeden einzelnen von äußeren störenden Einflüssen abzuschirmen und zu kontrollieren. Und für jedes zusätzliche Qubit werden die Probleme gravierender.
Forscher von der University of New York haben nun gemeinsam mit Wissenschaftlern der beiden Internetausrüster Cisco und Qunnect eine Lösung für das Skalierungsdilemma gefunden. Statt immer mehr Quantenbits auf engem Raum zu packen, wollen sie kleinere Quantensysteme mit einem speziellen Verfahren zu größeren Recheneinheiten verschalten – ähnlich, wie klassische Computer über das Internet miteinander vernetzt sind. Damit wäre es dann möglich, auch Quantencomputer unterschiedlicher Bauart und Quantensensoren verschiedenen Typs effizient zu vernetzen.
Im Gegensatz zu klassischen Rechnersystemen lassen sich Quantencomputer auch nicht ohne Weiteres zu größeren und leistungsfähigeren Einheiten verknüpfen. Denn zum einen ist es nicht möglich, die Zustände der Quantenbits wie die klassischen Bits einfach zu kopieren, zu speichern und mithilfe von Lichtpulsen über eine Glasfaser an einen anderen Ort zu verfrachten, um sie dort weiterzuverarbeiten. Denn bei jedem Kopierversuch, der einer Messung gleichkommt, werden die sensiblen Quanteninformationen zerstört.
Spukhafte Fernwirkung sorgt für innige Verbindung
Zweitens sind die existierenden Quantencomputer häufig nicht miteinander kompatibel. Sie bestehen aus zum Teil völlig unterschiedlichen Hardwarekomponenten und benötigen verschiedene Wellenlängen, um die Qubits programmieren und auslesen zu können. So arbeiten die großen Quantencomputer von IBM und Google mit supraleitenden Resonatoren und Pulsen im Mikrowellenbereich. Forschungsinstitute und einige Start-ups setzen auf geladene oder neutrale Atome als Qubits, die mit elektromagnetischen Feldern oder optischen Gittern festgehalten werden. Diese Quantensysteme absorbieren und emittieren optische Wellenlängen. Festkörpersysteme lassen sich im sichtbaren oder im infraroten Wellenlängenbereich ansprechen. Aufgrund der Vielfalt konnte man bislang meist nur Quantencomputer der gleichen Bauart erfolgreich verknüpfen. Der Ansatz der amerikanischen Forschergruppe ist deshalb ein großer Fortschritt hin zu einem Quanteninternet.
Die Wissenschaftler um Mehdi Namazi haben die beiden zuvor genannten technischen Hürden mit einem Verfahren umgangen, das als Verschränkungsaustausch bezeichnet wird. Damit lassen sich Quantensysteme unterschiedlicher Bauweise miteinander verschränken, ohne dass sie untereinander direkten Kontakt haben. Die Verschränkung, die Albert Einstein einst als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnete, sorgt für eine besonders innige und stabile Verbindung zwischen verschiedenen Knoten eines Netzes – ganz gleich, wie weit sie voneinander entfernt sind.
Die Forscher haben ihr Verfahren, das sie in einer Veröffentlichung auf dem Preprintserver „arXiv“ beschreiben, mit einem rund neun Kilometer langen Teilstück des unterirdischen Glasfasernetzes in New York City getestet. Die beiden zu vernetzenden Quantensysteme – jeweils bestehend aus atomaren Quantenbits – waren in zwei getrennten Räumen eines Gebäudes des Start-ups Qunnect im Stadtteil Brooklyn untergebracht. Ein Schalter, der für den Verschränkungsaustausch sorgen sollte, befand sich in einem Rechenzentrum in Manhattan. In die Glasfaserleitung speisten die Forscher infrarote Photonen mit der gängigen Telekommunikations-Wellenlänge ein, die zwischen Brooklyn und Manhattan zirkulierten.
Robustes Quantennetz unter den Straßen von New York City
Die infraroten Photonen waren mit Lichtteilchen im sichtbaren Bereich verschränkt, die von den atomaren Quantensystemen in Brooklyn erzeugt worden waren, aber vor Ort blieben. Als die Forscher den Lichtteilchen verschiedene Polarisationsrichtungen aufprägten, übertrugen sich diese unmittelbar auf die infraroten Lichtteilchen in der Glasfaser. Über einen Verschränkungsaustausch, der über eine Messung in Manhattan erfolgte, wurden die Quantenzustände schließlich auf die beiden Quantensysteme in Brooklyn übermittelt. Deren atomare Qubits zeigten daraufhin untereinander ein perfekt abgestimmtes Verhalten.
Obwohl die beiden Quantensysteme in der ganzen Zeit keine Verbindung hatten, war ein Quantennetz entstanden. Dieses erwies sich als äußerst robust. Erschütterungen des Straßenverkehrs und Temperaturschwankungen hatten keinen großen Einfluss auf das Experiment. Die Übertragungsverluste in der Glasfaser und beim Verschränkungsaustausch waren nach Aussagen der Forscher gering.
„Wenn man den Austausch von Quanten-Verschränkungen in großem Maßstab in New York City – dem lautesten und chaotischsten Glasfasernetz der Welt – zum Laufen bringen kann, dann funktioniert das überall“, sagte Mehdi Namazi. „Das ist ein Meilenstein, auf den die Branche gewartet hat.“
Das Verfahren der amerikanischen Forscher hat weitere Vorteile: Alle Komponenten funktionieren bei Raumtemperatur und die Zahl der Teilnehmer kann beliebig erweitert werden.
Im nächsten Schritt wollen Namazi und Kollegen ihr Quantennetz auf mehrere Knoten erweitern und die atomaren Quantensysteme durch Quantensensoren und verschiedene Quantencomputer ersetzen. Dabei sollen dann auch supraleitende Quantenrechner des Computerherstellers IBM erstmals als Netzwerkknoten zum Einsatz kommen. Dann könnte eine neue Ära des Internets anbrechen.
