Das beliebte Kinderspiel Telefon basiert auf einer einfachen Prämisse: Der Startspieler flüstert dem nächsten Spieler eine Nachricht ins Ohr. Dieser zweite Spieler gibt die Nachricht dann an die dritte Person weiter und so weiter, bis die Nachricht den endgültigen Empfänger erreicht, der sie laut an die Gruppe weiterleitet. Oft ist das, was die erste Person sagte, und das, was die letzte Person hörte, lächerlich unterschiedlich; Die Informationen werden entlang der Kette verstümmelt.
Solche Übertragungsfehler vom Start- zum Endpunkt kommen auch in der Quantenwelt häufig vor. Während sich Quanteninformationsbits oder Qubits (die Analoga klassischer Bits in der traditionellen digitalen Elektronik) über einen Kanal bewegen, können sich ihre Quantenzustände verschlechtern oder ganz verloren gehen. Eine solche Dekohärenz tritt besonders häufig über immer größere Entfernungen auf, da Qubits – unabhängig davon, ob sie als Lichtteilchen (Photonen), Elektronen, Atome oder andere Formen vorliegen – von Natur aus zerbrechlich sind und den Gesetzen der Quantenphysik oder der Physik sehr kleiner Objekte unterliegen . Auf dieser winzigen Skala (Nanoskala) können selbst geringfügige Wechselwirkungen mit ihrer Umgebung dazu führen, dass Qubits ihre Quanteneigenschaften verlieren und die von ihnen gespeicherten Informationen verändern. Wie beim Telefonspiel sind die ursprüngliche und die empfangene Nachricht möglicherweise nicht identisch.
„Eine der großen Herausforderungen bei der Quantenvernetzung besteht darin, diese empfindlichen Quantenzustände effektiv zwischen mehreren Quantensystemen zu verschieben“, sagt Scott Hamilton, Leiter der Optical and Quantum Communications Technology Group des MIT Lincoln Laboratory, Teil des Forschungs- und Entwicklungsbereichs für Kommunikationssysteme. „Das ist eine Frage, die wir in unserer Gruppe aktiv untersuchen.“
Wie Hamilton erklärt, enthalten heutige Quantencomputerchips etwa 100 Qubits. Für die Herstellung eines voll funktionsfähigen Quantencomputers sind jedoch Tausende, wenn nicht Milliarden Qubits erforderlich, der beispiellose Rechenleistung für Anwendungen freisetzen soll, die von künstlicher Intelligenz und Cybersicherheit bis hin zu Gesundheitswesen und Fertigung reichen. Die Verbindung der Chips zu einem großen Computer könnte einen gangbaren Weg in die Zukunft darstellen. Im Sensorbereich könnte die Verbindung von Quantensensoren zum Austausch von Quanteninformationen neue Fähigkeiten und Leistungssteigerungen ermöglichen, die über die eines einzelnen Sensors hinausgehen. Beispielsweise könnte eine gemeinsame Quantenreferenz mehrerer Sensoren verwendet werden, um Hochfrequenzemissionsquellen genauer zu lokalisieren. Raumfahrt- und Verteidigungsbehörden sind auch daran interessiert, durch große Entfernungen getrennte Quantensensoren für satellitengestützte Positions-, Navigations- und Zeitmesssysteme oder Atomuhrnetzwerke zwischen Satelliten miteinander zu verbinden. Für die Kommunikation könnten Quantensatelliten als Teil einer Quantennetzwerkarchitektur eingesetzt werden, die lokale Bodenstationen verbindet und so ein wirklich globales Quanteninternet schafft.
Quantensysteme können jedoch nicht mit bestehender Technologie verbunden werden. Die Kommunikationssysteme, die heute zum Übertragen von Informationen über ein Netzwerk und zum Verbinden von Geräten verwendet werden, basieren auf Detektoren, die Bits messen, und Verstärkern, die Bits kopieren. Diese Technologien funktionieren in einem Quantennetzwerk nicht, da Qubits nicht gemessen oder kopiert werden können, ohne den Quantenzustand zu zerstören; Qubits existieren in einer Überlagerung von Zuständen zwischen Null und Eins, im Gegensatz zu klassischen Bits, die sich entweder in einem gesetzten Zustand von Null (aus) oder Eins (ein) befinden. Daher haben Forscher versucht, Quantenäquivalente klassischer Verstärker zu entwickeln, um Übertragungs- und Verbindungsverluste zu überwinden. Diese Äquivalente sind als Quantenrepeater bekannt und funktionieren vom Konzept her ähnlich wie Verstärker, indem sie die Übertragungsstrecke in kleinere, besser handhabbare Segmente aufteilen, um Verluste zu verringern.
„Quantenrepeater sind eine entscheidende Technologie für Quantennetzwerke, um Informationen erfolgreich über verlustbehaftete Verbindungen zu senden“, sagt Hamilton. „Aber bisher hat noch niemand einen voll funktionsfähigen Quantenrepeater hergestellt.“
Die Komplexität liegt in der Funktionsweise von Quantenrepeatern. Anstatt ein einfaches „Kopieren und Einfügen“ zu verwenden, wie es bei klassischen Repeatern der Fall ist, nutzen Quanten-Repeater ein seltsames Quantenphänomen namens Verschränkung. Bei der Quantenverschränkung werden zwei Teilchen über den Raum hinweg stark verbunden und korreliert, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen. Wenn Sie den Zustand eines Teilchens in einem verschränkten Paar kennen, kennen Sie automatisch den Zustand des anderen. Verschränkte Qubits können als Ressource für die Quantenteleportation dienen, bei der Quanteninformationen zwischen entfernten Systemen gesendet werden, ohne dass tatsächliche Teilchen bewegt werden. Die Informationen verschwinden an einer Stelle und tauchen an einer anderen wieder auf. Bei der Teleportation entfällt die physische Reise über Glasfaserkabel und somit das damit verbundene Risiko eines Informationsverlusts. Quantenrepeater verbinden alles: Sie ermöglichen die End-to-End-Erzeugung der Quantenverschränkung und letztlich mit der Quantenteleportation die End-to-End-Übertragung von Qubits.
Ben Dixon, Forscher in der Gruppe für optische und Quantenkommunikationstechnologie, erklärt, wie der Prozess funktioniert: „Zuerst müssen Sie Paare spezifischer verschränkter Qubits (sogenannte Bell-Zustände) erzeugen und diese in verschiedenen Richtungen über die Netzwerkverbindung an zwei separate übertragen.“ Quantenrepeater, die diese Qubits einfangen und speichern. Einer der Quantenrepeater führt dann eine Zwei-Qubit-Messung zwischen dem übertragenen und gespeicherten Qubit und einem beliebigen Qubit durch, das wir über die Verbindung senden möchten, um die entfernten Quantensysteme miteinander zu verbinden Die Messergebnisse werden an den Quanten-Repeater am anderen Ende der Verbindung übermittelt. Der Repeater verwendet diese Ergebnisse, um das gespeicherte Bell-Zustands-Qubit in das beliebige Qubit umzuwandeln. Schließlich kann der Repeater das beliebige Qubit in das Quantensystem senden und so das verbinden zwei entfernte Quantensysteme.“
Um die verschränkten Zustände beizubehalten, benötigt der Quantenrepeater eine Möglichkeit, sie zu speichern – im Wesentlichen ein Gedächtnis. Im Jahr 2020 demonstrierten Mitarbeiter der Harvard University, dass sie ein Qubit in einem einzelnen Siliziumatom (eingeschlossen zwischen zwei leeren Räumen, die durch die Entfernung von zwei Kohlenstoffatomen entstanden sind) in Diamant halten. Dieses „Leerstellen“-Zentrum aus Silizium in Diamant ist eine attraktive Quantenspeicheroption. Wie andere Einzelelektronen kann das äußerste (Valenz-)Elektron des Siliziumatoms entweder nach oben oder nach unten zeigen, ähnlich einem Stabmagneten mit Nord- und Südpol. Die Richtung, in die das Elektron zeigt, wird als Spin bezeichnet, und die beiden möglichen Spinzustände, Spin-up oder Spin-down, ähneln den Einsen und Nullen, die Computer zur Darstellung, Verarbeitung und Speicherung von Informationen verwenden. Darüber hinaus kann das Valenzelektron von Silizium mit sichtbarem Licht manipuliert werden, um ein photonisches Qubit in den Elektronenspinzustand zu übertragen und zu speichern. Genau das haben die Harvard-Forscher getan; Sie strukturierten einen optischen Wellenleiter (eine Struktur, die Licht in eine gewünschte Richtung leitet), der von einem nanophotonischen optischen Hohlraum umgeben ist, damit ein Photon stark mit dem Siliziumatom wechselwirkt und diesem Atom seinen Quantenzustand verleiht. Mitarbeiter am MIT zeigten dann, dass diese grundlegende Funktionalität mit mehreren Wellenleitern funktionieren kann; Sie strukturierten acht Wellenleiter und erzeugten in allen erfolgreich Silizium-Leerstellen.
Seitdem wendet das Lincoln Laboratory Quantentechnik an, um ein Quantenspeichermodul zu entwickeln, das mit zusätzlichen Fähigkeiten ausgestattet ist, um als Quantenrepeater zu fungieren. Dieser technische Aufwand umfasst das kundenspezifische Diamantenwachstum vor Ort (mit der Quantum Information and Integrated Nanosystems Group); die Entwicklung eines skalierbaren Silizium-Nanophotonik-Interposers (ein Chip, der photonische und elektronische Funktionalitäten vereint) zur Steuerung des Silizium-Leerstellen-Qubits; und Integration und Verpackung der Komponenten in ein System, das auf die für die Langzeitspeicherung erforderlichen kryogenen Temperaturen gekühlt werden kann. Das aktuelle System verfügt über zwei Speichermodule, die jeweils acht optische Qubits aufnehmen können.
Um die Technologien zu testen, nutzte das Team einen vom Labor gemieteten Glasfaserprüfstand. Dieser Prüfstand verfügt über eine 50 Kilometer lange Telekommunikationsnetzfaser, die derzeit drei Knotenpunkte verbindet: das Lincoln Laboratory mit dem MIT-Campus und den MIT-Campus mit Harvard. Auch lokale Industriepartner können diese Faser im Rahmen des Boston-Area Quantum Network (BARQNET) nutzen.
„Unser Ziel ist es, die neuesten Forschungsergebnisse unserer akademischen Partner in etwas umzuwandeln, das wir außerhalb des Labors nutzen können, um es über reale Kanäle mit echten Verlusten zu testen“, sagt Hamilton. „Diese gesamte Infrastruktur ist für die Durchführung grundlegender Experimente von entscheidender Bedeutung, um die Einbindung in ein Glasfasersystem zu ermöglichen und es zwischen verschiedenen Parteien zu übertragen.“
Mithilfe dieses Prüfstands konnte das Team in Zusammenarbeit mit MIT- und Harvard-Forschern als erstes Team weltweit eine Quantenwechselwirkung mit einem nanophotonischen Quantenspeicher über eine eingesetzte Telekommunikationsfaser demonstrieren. Mit dem Quantenrepeater in Harvard schickten sie mit Quantenzuständen kodierte Photonen aus dem Labor über die Faser und verbanden sie mit dem Silizium-Leerstellen-Quantenspeicher, der die übertragenen Quantenzustände erfasste und speicherte. Sie haben das Elektron auf dem Siliziumatom gemessen, um zu bestimmen, wie gut die Quantenzustände auf die Spin-up- oder Spin-down-Position des Siliziumatoms übertragen wurden.
„Wir haben die Leistung unseres Prüfstands auf die relevanten Quantenrepeater-Metriken Entfernung, Effizienz (Verlustfehler), Wiedergabetreue und Skalierbarkeit untersucht und festgestellt, dass wir im Vergleich zu anderen führenden Unternehmen auf der ganzen Welt bei allen diesen Metriken die besten oder nahezu besten Ergebnisse erzielt haben „, sagt Dixon. „Unsere Distanz ist größer als alle anderen gezeigt haben; unsere Effizienz ist anständig und wir glauben, dass wir sie durch die Optimierung einiger unserer Prüfstandskomponenten weiter verbessern können; das ausgelesene Qubit aus dem Speicher stimmt mit dem Qubit, das wir gesendet haben, mit einer Genauigkeit von 87,5 Prozent überein; und Diamant verfügt über eine inhärente Skalierbarkeit der lithografischen Strukturierung, bei der man sich vorstellen kann, Tausende von Qubits auf einem kleinen Chip unterzubringen.“
Das Team des Lincoln Laboratory konzentriert sich nun darauf, mehrere Quantenspeicher an jedem Knoten zu kombinieren und zusätzliche Knoten in den Quantennetzwerk-Teststand zu integrieren. Solche Fortschritte werden es dem Team ermöglichen, Quantennetzwerkprotokolle auf Systemebene zu erforschen. Sie freuen sich auch auf materialwissenschaftliche Untersuchungen, die ihre Harvard- und MIT-Mitarbeiter durchführen. Diese Untersuchungen könnten andere Arten von Atomen in Diamant identifizieren, die für einen praktischeren Betrieb bei etwas wärmeren Temperaturen arbeiten können.
Das nanophotonische Quantenspeichermodul wurde mit dem 2023 R&D 100 Award ausgezeichnet.
