Ein Team von Wissenschaftlern in China hat Quantenspeicher über mehr als 50 Kilometer Glasfaserkabel miteinander verbunden und damit den bisherigen Rekord um mehr als das 40-fache übertroffen. Dieses Kunststück ist laut Wissenschaftlern ein wichtiger Schritt in Richtung eines hackfesten Internets.
Das Internet, das wir heute nutzen, war wirklich eine revolutionäre Erfindung. Es verband die Welt mit Informationen und ermöglichte es uns, Millionen von Fotos von niedlichen und kuscheligen Katzen zu teilen. Das Internet ist aber auch voller Hacker, die versuchen, wichtige oder sensible Informationen abzufangen. Um sich zu wehren, haben die Physiker mit ein wenig Hilfe von Schrödingers Katze, der berühmten, hypothetischen toten und lebendigen Katze, eine Lösung gefunden, um die seltsame Natur subatomarer Teilchen aufzudecken.
Diese vorgeschlagene Lösung ist ein neues Internet, das von der bizarren Welt der Quantenmechanik beherrscht wird. Ein solches Internet könnte eines Tages zum Standard für das sichere Senden, Empfangen und Speichern von Daten werden.
In der klassischen Computerwelt werden Informationen durch Bits mit Werten von entweder 0 oder 1 dargestellt. Ein Quanteninternet würde wie ein Quantencomputer eine der grundlegenden Eigenschaften der Quantenmechanik nutzen, das Überlagerungsprinzip. Dieses Prinzip wird bekanntlich anhand des Paradoxons des Physikers Erwin Schrödinger beschrieben, wonach eine Katze in einer Kiste gleichzeitig tot und lebendig ist. Quantencomputer verwenden Quantenbits oder "Qubits", die in einem Überlagerungszustand existieren können, in dem sie gleichzeitig den Wert 1 und 0 haben. In diesem Unsicherheitszustand existiert ein Qubit, bis es von einem Beobachter gemessen wird, wodurch das Qubit in einen bestimmten Zustand von 0 oder 1 kollabiert.
Wenn Sie zwei oder mehr Qubits miteinander verbinden, verwickeln sie sich. Quantenverschränkung ist die ätherische Verbindung zwischen zwei oder mehr Teilchen, so dass jede Aktion, die an einem ausgeführt wird, die anderen sofort beeinflusst, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Albert Einstein nannte dieses Phänomen bekanntlich "gruselige Fernwirkung". Die wahre Magie eines Quanteninternets würde beginnen, wenn Informationen mit verschränkten Teilchen gesendet werden, die auch als Quantenteleportation bezeichnet werden.
"Quantenteleportation ist eine Möglichkeit, einen unbekannten Quantenzustand an einem entfernten Ort von einem Teilchen auf ein anderes zu übertragen, ohne das ursprüngliche Teilchen selbst zu senden", so Jian-Wei Pan, Professor für Physik an der Universität für Wissenschaft und Technologie in China in Hefei und Co-Autor der Studie, sagte in einem Interview mit der National Science Review.
Da verschränkte Qubits in keiner Form physisch miteinander verbunden sind, ist ein Abfangen der Kommunikation zwischen ihnen unmöglich.
Pan und sein Team haben bereits die Verschränkung von Lichtteilchen oder Photonen über große Entfernungen durch den leeren Raum demonstriert. Im Jahr 2017 verwickelte sein Team zwei Photonen, die 1.200 km voneinander entfernt waren, mithilfe eines erdumlaufenden Satellitenrelais namens Micius.
In der Praxis ist Verschränkung eine heikle Angelegenheit. Kleinste Störungen, wie z. B. eine Änderung der Temperatur oder Vibration, können die Verbindung zwischen verwickelten Partikeln unterbrechen und ihren gemeinsamen Zustand aufheben. Um ein echtes Quanten-Internet zu realisieren, müssen Physiker die Hilfe sogenannter Quantenspeicher in Anspruch nehmen.
"Der Quantenspeicher ist ein Gerät, das Quanteninformationen speichert. Er muss die Überlagerung zweier Zustände speichern", sagte Xiao-Hui Bao, Professor für Physik an der Universität für Wissenschaft und Technologie in Hefei und Mitautor der Studie Live Science.
Quantenerinnerungen
In der Studie, die am 12. Februar in der Zeitschrift Nature veröffentlicht wurde, gelang es Pan und seinen Kollegen, Quantenspeicher über 50 km Glasfaserkabel zu verschränken. Die vorherige Aufzeichnung der Trennung zwischen Erinnerungen betrug 1,3 km.
In dem Experiment der neuen Studie ist das Quantengedächtnis ein Ensemble von lasergekühlten Rubidiumatomen, die in einem Vakuum gefangen sind, sagte Bao. Das Team verwendete Photonen, um in die Wolke von 100 Millionen gefangenen Atomen zu lesen und zu schreiben. Photonen wurden verwendet, um beide Atome in einen Zustand höherer Energie anzuregen, die Qubits zu setzen, die die Forscher verwickeln wollten, und ein verschränktes Photon zu erzeugen, das über das optische Kabel gesendet werden soll. Die Forscher mussten dann die Frequenz des Photons ändern, damit es nicht in den 50 km Glasfaserkabel verloren geht, die in ihrem Labor aufgewickelt wurden. Schließlich könnte das Photon auf seiner Reise durch das Kabel gesendet werden, um den zweiten Quantenspeicher erfolgreich zu verwickeln.
Obwohl eine Quantenverschränkung zwischen den Speichern erreicht wurde, muss das Team noch eine Quantenteleportation von Informationen zwischen den beiden Knoten durchführen. Die Forscher hoffen, dass diese Arbeit den Weg für die Schaffung eines Netzes von Quantenrelaisstationen ebnen wird, das die verschränkte Kommunikation auf größere Entfernungen ausdehnt und schließlich zu einem großen Quantennetzwerk führt.
