Dieser Durchbruch zeigt, dass Quantennetzwerke eines Tages neben dem klassischen Internet existieren könnten und den Weg für bisher unvorstellbare Anwendungen ebnen.
Ein Knotenpunkt des Quantennetzwerks, etwa einen Kilometer von der Quelle entfernt über ein Verizon-Kabel.
Bild: Sylvia Zhang
Im Zentrum dieser Innovation steht ein winziger Chip namens "Q-Chip", der sowohl Quanten- als auch klassische Daten verarbeitet. Er arbeitet mit der standardmäßigen IP-Sprache und ermöglicht so das Routing von Informationen ähnlich wie im traditionellen Internet. Quantensignale basieren auf "verschränkten" Teilchen – ein Phänomen, bei dem zwei Teilchen so miteinander verbunden sind, dass eine Aktion an einem das andere sofort beeinflusst, selbst über große Entfernungen. Diese Eigenschaft könnte es Quantencomputern ermöglichen, sich zu verbinden und ihre Rechenleistung zu teilen.
Eine der größten Herausforderungen bestand darin, den fragilen Quantenzustand während der Übertragung zu bewahren, da jede direkte Messung ihn zerstört. Das Team umging dieses Problem, indem es kurz vor dem Quantensignal ein klassisches Signal sendete, das wie eine Lokomotive wirkt, die abgeschlossene Waggons zieht. Das klassische Signal, das ohne Schaden gemessen werden kann, leitet das gesamte Paket mithilfe der IP-Protokolle, während die Quanteninformation intakt und geschützt bleibt.
Die realen Bedingungen kommerzieller Netzwerke mit ihren Temperaturschwankungen und Vibrationen bedrohen normalerweise Quantensignale. Die Forschenden entwickelten eine innovative Methode zur Fehlerkorrektur: Durch die Analyse von Störungen im klassischen Signal leiten sie die notwendigen Korrekturen für das Quantensignal ab und wenden sie an, ohne es zu messen. Dieser Ansatz hielt bei Tests eine Übertragungstreue von über 97 % aufrecht.
Obwohl auf eine Verbindung zwischen zwei Gebäuden über einen Kilometer beschränkt, eröffnet dieses System Expansionsmöglichkeiten. Der Chip, der in Silizium mit Standardtechniken gefertigt wird, könnte in Massenproduktion gehen und in bestehende Infrastrukturen integriert werden. Um das Netzwerk über Ballungsräume hinaus auszudehnen, muss die derzeitige Unmöglichkeit überwunden werden, Quantensignale zu verstärken, ohne ihre Verschränkung zu zerstören.
Dieser Durchbruch erinnert an die Anfänge des klassischen Internets, wo Verbindungen zwischen Universitäten eine weltweite Transformation einleiteten. Ein Quanteninternet könnte eines Tages ultraschnelle verteilte Berechnungen, Molekülsimulationen für die Medizin oder eine effizientere künstliche Intelligenz ermöglichen. Die in Science veröffentlichte Arbeit markiert einen Meilenstein auf dem Weg zu einer Zukunft, in der Quanten- und klassische Technologien koexistieren.
Quantenverschränkung
Die Quantenverschränkung ist ein Phänomen, bei dem zwei Teilchen wie Photonen so eng miteinander verbunden werden, dass der Zustand des einen den anderen sofort beeinflusst – unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen. Albert Einstein nannte dies aufgrund seines kontraintuitiven Charakters "spukhafte Fernwirkung".
Im Gegensatz zur klassischen Kommunikation, die auf Signalen basiert, die sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen, scheint die Verschränkung schneller zu wirken, obwohl dies keine Übertragung von Information mit Überlichtgeschwindigkeit ermöglicht.
In Quantennetzwerken wird die Verschränkung genutzt, um entfernte Quantenprozessoren zu verbinden. Allerdings erfordert die Aufrechterhaltung dieses empfindlichen Zustands kontrollierte Umgebungen, da jede Interaktion mit der Außenwelt ihn zerstören kann.
Zu den potenziellen Anwendungen gehören die Quantenkryptographie, bei der Verschlüsselungsschlüssel ultrasicher erzeugt werden, und das verteilte Rechnen, bei dem mehrere Quantencomputer zusammenarbeiten, um Probleme zu lösen, die mit aktuellen Technologien unlösbar sind.