Ein störungsresistentes Protokoll

Es gibt zwar schon seit knapp 20 Jahren ein Quantenprotokoll, das grundlegend die Übertragung von Quantenbits per Quantenteleportation beschreibt. Doch ist dieses Verfahren empfindlich sowohl gegenüber Rauschen als auch gegenüber Verlusten von Photonen. Die beiden Forschergruppen haben ein störungsresistentes Protokoll entwickelt, mit dessen Hilfe sich sowohl Rauschen als auch Photonenverluste ausgleichen lassen.

"Die Robustheit gegenüber dem Rauschen kommt davon, dass wir die Quantenbits über lineare harmonische Oszillatoren an den Mikrowellenleiter koppeln, anstelle von üblichen Quantenbits", erklärt Benoit Vermersch von der Universität Innsbruck. Sowohl beim Sender als auch beim Empfänger sitzt ein solcher linearer Oszillator, der das Quantensignal auf beiden Seiten in gleicher Weise beeinflusst. Das modulierte Signal wird dem thermischen Rauschen überlagert. Beim Empfänger lässt sich das Quantenbit dann über einen Interferenzeffekt wieder sauber abtrennen. Hierfür ist lediglich eine exakte zeitliche Pulskontrolle notwendig.

Gekühlt wird mit flüssigem Helium

Allerdings funktioniert auch diese Technologie nicht bei beliebigen Temperaturen: Man muss immer noch bis rund vier Grad über dem Nullpunkt kühlen. Dies ist aber bereits im Bereich üblicher Flüssigheliumkühlgeräte - zwar ebenfalls nicht ganz billig, aber technisch machbar und deutlich weniger aufwändig als die nur in speziell ausgerüsteten Laboren einsetzbaren Helium-Mischungskryostate.

Auch in einem solch kalten Wellenleiter kann es immer wieder zu Verlusten von Quantenbits kommen. Deshalb gehört zum neuen Protokoll auch eine Quanten-Fehlerkorrektur, die die Quanteninformation redundant verschickt, um Verluste zu erkennen und ausgleichen zu können. Die Forscher erwarten, dass ihre Kollegen schon in den kommenden Jahren dieses Protokoll realisieren werden - vorerst vermutlich in kleinem Maßstab mit nur zwei Parteien und Distanzen von einigen Dutzend Metern. Es sollte aber prinzipiell auch über Kilometer einsetzbar sein und würde damit ein Quantennetz in Stadtgröße möglich machen.

Die Datenrate lässt sich nicht prognostizieren

Die Datenübertragungsrate lässt sich im Augenblick nur schwer vorhersagen. Die Erzeugung von Mikrowellen-Quantenbits ist aber heute kein Zauberkunststück mehr. Mit dem neuen Protokoll erscheinen Datenraten von einigen Dutzend MquBit pro Sekunde im Bereich des Möglichen. Optische Quantenkanäle sind derzeit noch nicht so leistungsstark.

Auch in Zukunft wird man an ein solches heliumgekühltes Quantennetz vermutlich keine Haushalte anschließen - die erforderliche Infrastruktur zur Kühlung würde den Kosten- und Unterhaltsrahmen sprengen. Wichtige Institutionen ließen sich aber im Prinzip damit verknüpfen. Es bleibt aber abzuwarten, ob nicht vielleicht andere Technologien sich insgesamt als vielversprechender erweisen. So arbeiten einige Forschergruppen etwa an neuartigen Glasfaserkabeln, die sich besser für die Übertragung von Quantenbits im optischen Wellenlängenbereich eignen als die heute gängigen Glasfasern.