Quantenspeicher werden eine zentrale Rolle in zukünftigen Quantennetzen spielen, da sie die Speicherung und Wiedergabe von Informationen auf Abruf ermöglichen. Während ihr Nutzen für die Verteilung von Verschränkung und für Langstreckenkommunikation gut etabliert ist, geht ihr Potenzial weit darüber hinaus.
Konzeptuelle Darstellung von drei miteinander verbundenen Quantencomputern.
Forscher und Forscherinnen haben nun erstmals demonstriert, dass ein Quantenspeicher in ein Kryptografieprotokoll integriert werden kann. Diese Demonstration ist das Ergebnis einer erfolgreichen Zusammenarbeit zwischen zwei Projekten des PEPR Quantique, dem Projekt QMemo und dem Projekt QCommTestBed.
Das gewählte Protokoll ist das der "Quantenwährung", das vor fast vierzig Jahren von Stephen Wiesner vorgeschlagen wurde und eine vollständige Fälschungssicherheit für Banknoten garantiert, die dieses Validierungsprotokoll verwenden. Die wesentliche Innovation liegt hier in der Einführung eines Speicherschritts: Die "Quantenkarte" des Kunden wird in einem Speicher aufbewahrt, bevor sie verwendet wird. Die ersten Demonstrationen von Quantenwährung waren im Wesentlichen Proof-of-Principle-Experimente, die ohne Speicherschritt durchgeführt wurden.
Damit jedoch ein Quantenschein oder eine Quantenkarte tatsächlich verwendet werden kann - beispielsweise für eine verzögerte Zahlung oder eine Fernüberprüfung - ist die Integration eines Speichers erforderlich, der die vorübergehende Aufbewahrung der Quantenzustände gewährleistet. Dieses Ergebnis war nur dank der beispiellosen Leistung des implementierten Speichers möglich - einer Ansammlung von lasergekühlten Cäsiumatomen -, die eine sehr hohe Speichereffizienz mit extrem geringem Rauschen kombiniert. Diese Leistungsmerkmale ermöglichen es, die für zukünftige Anwendungen erforderlichen Sicherheitsschwellen zu gewährleisten, die bisher unerreichbar blieben.
Dieser Fortschritt zeigt, dass Quantenspeicher nun einen Reifegrad erreicht haben, der ihren Einsatz in konkreten Anwendungen in Aussicht stellt. Sie beschränken sich nicht mehr auf die Rolle der Informationserhaltung in Quantenrepeatern, sondern werden schrittweise zu vielseitigen Werkzeugen für Quantennetze. Diese Ergebnisse sind in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.