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Versuchsaufbau für Quantencomputer (Symbolbild): Kühlen auf 20 Millikelvin
Versuchsaufbau für Quantencomputer (Symbolbild): Kühlen auf 20 Millikelvin (Bild: IQOQI)

Quantencomputer: Quantennetz mit Rauschunterdrückung

Versuchsaufbau für Quantencomputer (Symbolbild): Kühlen auf 20 Millikelvin
Versuchsaufbau für Quantencomputer (Symbolbild): Kühlen auf 20 Millikelvin (Bild: IQOQI)

Quantenkommunikation ist abhörsicher, aber störanfällig. Wissenschaftler aus Österreich haben ein neues Protokoll entwickelt, das die Übertragung von Quantenbits verbessern soll.
Von Dirk Eidemüller

Die Kommunikation in einem Quantennetzwerk hat eine entscheidende Qualität, die sie gleichermaßen attraktiv für Geheimdienste wie für Dissidenten, für Militärs wie für Unternehmen macht: Sie ist prinzipiell abhörsicher. Gelingt es beiden - oder mehreren - Parteien einer Quantenkommunikation, Nachrichten auf Basis einzelner Quantenbits auszutauschen, so können sie jeden Abhörversuch sofort enttarnen. Zwar steckt auch hier der Teufel im Detail: Denn die Schnittstellen solcher Netzwerke müssten gesichert werden, und es sollten nicht mehrere Photonen pro Quantenbit in der Leitung sein, von denen ein Lauscher dann eben doch eines unentdeckt abgreifen könnte. Ist alles richtig implementiert, versprechen Quantennetze aber maximale Sicherheit.

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Eine andere Anwendung, die für viele Wissenschaftler noch größere Relevanz hat, ist die Kommunikation mit Quantenbits, um in Rechenverbünden von Quantencomputern verteilte Datenverarbeitung zu realisieren. Damit könnte man neuartige Eigenschaften von Materialien und Medikamenten designen und Probleme aus der Quantenchemie mit bislang unerreichbaren Möglichkeiten angehen.

Mikrowellen stören die Übertragung von Quantenbits

Das Problem mit dem Transport von Quantenbits: Einzelne Photonen, die man durch eine Leitung schicken will, sind außerordentlich empfindlich gegenüber äußeren Störungen. Ausgerechnet Mikrowellen, die sich hervorragend zur Datenübertragung eignen, haben im Quantenbereich einen entscheidenden Nachteil. Zwar arbeiten etliche vielversprechende Konzepte für Quantencomputer mit supraleitenden Quantenbits, die sich mit Hilfe von Mikrowellen transportieren lassen.

Doch die notwendigen Temperaturen für solche Mikrowellenleiter sind extrem tief: Sie liegen im Bereich von rund 20 Millikelvin, die sich nur mit technisch sehr aufwändigen Helium-Mischungskryostaten erreichen lassen. Erst so knapp über dem absoluten Nullpunkt spielt das thermische Rauschen praktisch keine Rolle mehr. Man vergleiche damit den kosmischen Mikrowellenhintergrund, den Nachhall des Urknalls, der das Universum erfüllt und bei einer Temperatur von ungefähr drei Kelvin strahlt. Bereits bei solch tiefen Temperaturen kommt also so viel thermisches Rauschen ins Spiel, dass das Quantensignal von der Wärmestrahlung völlig überlagert und unbrauchbar wird.

Genau an diesem Punkt greift nun die Arbeit von zwei Forschungsgruppen der Universität Innsbruck und der TU Wien an. "Das Neue an unserem Protokoll ist, dass wir zeigen, wie man Quanteninformation auch mit Hilfe von Mikrowellensignalen über weite Distanzen übertragen kann", sagt Peter Rabl von der TU Wien.

Ein störungsresistentes Protokoll 

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