Quanteninternet: Forschern gelingt Quantenteleportation in Netzwerk

Niederländische Forscher übertragen QBits ohne direkte Verbindung. Bislang war dies nur zwischen benachbarten Netzwerkknoten möglich.

Artikel veröffentlicht am , Johannes Hiltscher
Ein Versuchsaufbau für Quantenteleportation am Forschungsinstitut QuTech
Ein Versuchsaufbau für Quantenteleportation am Forschungsinstitut QuTech (Bild: Marieke de Lorijn, QuTech)

Durch Quantenverschränkung kann der Zustand eines QBits auf ein anderes übertragen werden, allein durch eine Messung. Diese sogenannte Quantenteleportation ermöglicht den Datenaustausch zwischen zwei Quantencomputern, war bislang aber nur mit direkter Verbindung möglich.

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Einer Forschungsgruppe des Instituts QuTech, das zur TU Delft gehört, gelang die Teleportation über einen Zwischenknoten. Ein Artikel darüber erschien im Journal Nature.

Für die Quantenteleportation müssen die kommunizierenden Quantencomputer - Alice und Charlie genannt - erst ein als Teleporter genutztes QBit verschränken. Es ist über eine Stickstofffehlstelle in einem Diamanten realisiert. Deren Spin kann auf einen Laserstrahl abgebildet, mittels Lichtleiter übertragen und anhand dieser Information im Empfänger ein verschränktes QBit erzeugt werden. Eigentlich wäre also eine direkte Verbindung zwischen Alice und Charlie nötig. Beide sind aber lediglich mit Bob, einem weiteren Quantencomputer, verbunden.

Um eine Verschränkung zwischen Alice und Charlie zu erreichen, werden zuerst Alice und Bob sowie Bob und Charlie verschränkt. Anschließend teleportiert Bob seine Verschränkung mit Alice an Charlie, womit diese verschränkt sind. Hierfür benötigen Bob und Charlie jeweils noch ein Speicher-QBit, das den Elektronenspin eines Kohlenstoffatoms nutzt.

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Mit diesem Aufbau kann der Wert eines QBits von Charlie an Alice teleportiert werden. Der zu übertragende Wert wird in Charlies Speicher-QBit platziert. Anschließend wird der sogenannte Bell-Zustand von Speicher- und Teleporter-QBit gemessen. Allein durch diese Messung erfolgt eine Zustandsänderung von Alices verschränktem Teleporter-QBit. Allerdings muss dessen Zustand noch anhand von Charlies Messergebnis interpretiert werden, um das übertragene QBit zu rekonstruieren.

Hier liegt der große Vorteil der Quantenteleportation: Es muss kein Quantenzustand übertragen werden. Dies ist aufgrund möglicher Verluste und Veränderungen technisch schwer und unzuverlässig. Stattdessen muss lediglich das Ergebnis der Messung des Bell-Zustands übertragen werden, welches digital codiert werden kann.

Jeder Hop wird schwerer

Was recht unkompliziert klingt, erforderte einige Verbesserungen im Verschränkungsmechanismus. Denn der ist - wie alles in der Welt der Quanten - eine statistische Operation. Da zwei Verschränkungen erfolgen (Alice-Bob und Bob-Charlie) sinkt die Wahrscheinlichkeit, die Teleporter-QBits von Alice und Charlie erfolgreich zu verschränken. Sie ist das Produkt der beiden Einzelwahrscheinlichkeiten.

Durch zusätzliche Messungen und eine Optimierung des Messzeitraums konnte die Arbeitsgruppe die Erfolgswahrscheinlichkeit deutlich steigern. Zudem gelang es, das zuerst verschränkte QBit ausreichend lange in Bobs Speicher-Qbit aufzubewahren, um mehrere Versuche für die zweite Verschränkung durchführen zu können. Zuletzt wurde die Methode verbessert, mit der das teleportierte QBit ausgelesen wurde, wodurch die Wahrscheinlichkeit einer korrekten Zustandsübertragung deutlich stieg.

Natürlich ist auch hier noch keine praktische Anwendung in Sicht. Allerdings ist die Übertragung von QBits über eine Zwischenstation ein wichtiger Schritt, um Quantencomputer zu vernetzen. Große Entfernungen sind mit direkter Verbindung kaum zu überbrücken, Zwischenstationen also unumgänglich.

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brutos 02. Jun 2022 / Themenstart

Hat nicht schon einmal der Vorsitzende der Akademie der Wissenschaft von Österreich vor...

jhi (Golem.de) 02. Jun 2022 / Themenstart

Für Heimanwender hat das alles keine Bedeutung. Die Information wird auch nicht...

jhi (Golem.de) 02. Jun 2022 / Themenstart

Für die Verschränkung gibt es verschiedene Methoden, die vom jeweils genutzten...

xSureface 02. Jun 2022 / Themenstart

Da Quanten in QBits gerechnet werden, wird nie 64kbit/s erreicht werden.

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