Die Forscher bauten das Netzwerk mithilfe eines komplexen Lasersystems auf. (Marieke de Lorijn/QuTech) Wissenschaftler sind einem einen Schritt näher gekommen genauso wie das Internet durch die Schaffung des weltweit ersten Quantennetzwerks mit mehreren Knoten.
Forscher des QuTech-Forschungszentrums in den Niederlanden haben das System geschaffen, das aus drei Quantenknoten besteht, die durch die gruseligen Gesetze von miteinander verbunden sind Quantenmechanik die subatomare Teilchen steuern. Es ist das erste Mal, dass mehr als zwei Quantenbits oder „Qubits“ die Berechnungen durchführen Quanten-Computing wurden als „Knoten“ oder Netzwerkendpunkte miteinander verbunden.
Forscher erwarten, dass die ersten Quantennetzwerke eine Fülle von Computeranwendungen erschließen, die mit vorhandenen klassischen Geräten nicht ausgeführt werden können – wie etwa schnellere Berechnungen und verbesserte Kryptographie.
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„Es wird uns ermöglichen, Kontakte zu knüpfen.“ Quantencomputer Für mehr Rechenleistung schaffen wir nicht hackbare Netzwerke und verbinden Atomuhren und Teleskope mit einem beispiellosen Maß an Koordination“, sagte Matteo Pompili, Mitglied des QuTech-Forschungsteams, das das Netzwerk an der Technischen Universität Delft in den Niederlanden geschaffen hat, gegenüber WordsSideKick.com.
„Es gibt auch viele Anwendungen, die wir nicht wirklich vorhersehen können.“ „Eine könnte beispielsweise darin bestehen, einen Algorithmus zu entwickeln, der Wahlen auf sichere Weise durchführt.“
Ähnlich wie das herkömmliche Computerbit die Grundeinheit digitaler Informationen ist, ist das Qubit die Grundeinheit der Quanteninformation. Wie das Bit kann das Qubit entweder eine 1 oder eine 0 sein, was zwei mögliche Positionen in einem Zwei-Zustand-System darstellt.
Aber hier enden die Ähnlichkeiten auch schon. Dank der bizarren Gesetze der Quantenwelt kann das Qubit in einer Überlagerung der Zustände 1 und 0 existieren, bis es bei der Messung zufällig in den Zustand 1 oder 0 zusammenfällt. Dieses seltsame Verhalten ist der Schlüssel auf die Leistungsfähigkeit des Quantencomputings, da es einem Qubit ermöglicht, mehrere Berechnungen gleichzeitig durchzuführen.
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Die größte Herausforderung bei der Verknüpfung dieser Qubits zu einem Quantennetzwerk besteht in der Einrichtung und Aufrechterhaltung eines Prozesses namens Verstrickung , oder was Albert Einstein mit dem Titel „Grusel-Action aus der Ferne“.
Dabei werden zwei Qubits gekoppelt und ihre Eigenschaften so verknüpft, dass jede Änderung in einem Teilchen eine Änderung im anderen nach sich zieht, selbst wenn sie durch große Entfernungen voneinander entfernt sind.
Sie können Quantenknoten auf viele Arten verschränken, aber eine gängige Methode besteht darin, zunächst die stationären Qubits (die die Knoten des Netzwerks bilden) mit Photonen oder Lichtteilchen zu verschränken, bevor die Photonen aufeinander abgefeuert werden. Wenn sie aufeinander treffen, verschränken sich auch die beiden Photonen und verschränken dadurch die Qubits. Dies bindet die beiden stationären Knoten, die durch einen Abstand voneinander getrennt sind. Jede an einem vorgenommene Änderung spiegelt sich in einer sofortigen Änderung am anderen wider.
„Gruselige Aktion aus der Ferne“ ermöglicht es Wissenschaftlern, den Zustand eines Teilchens zu ändern, indem sie den Zustand seines entfernten verschränkten Partners ändern und so Informationen effektiv über große Lücken hinweg teleportieren.
Die Aufrechterhaltung eines Zustands der Verschränkung ist jedoch eine schwierige Aufgabe, insbesondere da das verstrickte System immer dem Risiko ausgesetzt ist, mit der Außenwelt zu interagieren und durch einen Prozess namens Dekohärenz zerstört zu werden.
Das bedeutet erstens, dass die Quantenknoten in Geräten, sogenannten Kryostaten, auf extrem niedrigen Temperaturen gehalten werden müssen, um die Wahrscheinlichkeit zu minimieren, dass die Qubits etwas außerhalb des Systems stören. Zweitens können die bei der Verschränkung verwendeten Photonen keine sehr langen Strecken zurücklegen, bevor sie absorbiert oder gestreut werden – wodurch das zwischen zwei Knoten gesendete Signal zerstört wird.
„Das Problem ist, dass man im Gegensatz zu klassischen Netzwerken Quantensignale nicht verstärken kann.“ „Wenn man versucht, das Qubit zu kopieren, zerstört man die Originalkopie“, sagte Pompili und bezog sich dabei auf das „No-Cloning-Theorem“ der Physik, das besagt, dass es unmöglich ist, eine identische Kopie eines unbekannten Quantenzustands zu erstellen.
„Das begrenzt die Entfernungen, über die wir Quantensignale senden können, wirklich auf mehrere zehnhundert Kilometer.“ „Wenn man Quantenkommunikation mit jemandem auf der anderen Seite der Welt aufbauen möchte, braucht man dazwischen Relaisknoten.“
Um das Problem zu lösen, schuf das Team ein Netzwerk mit drei Knoten, in dem Photonen im Wesentlichen die Verschränkung von einem Qubit an einem der äußeren Knoten zu einem am mittleren Knoten „weitergeben“. Der mittlere Knoten verfügt über zwei Qubits – eines zum Erfassen eines verschränkten Zustands und eines zum Speichern.
Sobald die Verschränkung zwischen einem äußeren Knoten und dem mittleren Knoten gespeichert ist, verschränkt der mittlere Knoten den anderen äußeren Knoten mit seinem Ersatz-Qubit. Nachdem dies alles erledigt ist, verschränkt der mittlere Knoten seine beiden Qubits, was dazu führt, dass die Qubits der äußeren Knoten miteinander verschränkt werden.
Aber die Entwicklung dieser seltsamen quantenmechanischen Variante des klassischen „Flussüberquerungsrätsels“ war für die Forscher die geringste Schwierigkeit – sicherlich seltsam, aber keine allzu knifflige Idee. Um die verschränkten Photonen herzustellen und sie auf die richtige Weise zu den Knoten zu strahlen, mussten die Forscher ein komplexes System aus Spiegeln und Laserlicht verwenden. Der wirklich schwierige Teil war die technologische Herausforderung, lästiges Rauschen im System zu reduzieren und sicherzustellen, dass alle zur Erzeugung der Photonen verwendeten Laser perfekt synchronisiert waren.
„Wir reden davon, drei bis vier Laser für jeden Knoten zu haben, also haben wir anfangs zehn Laser und drei Kryostaten, die alle gleichzeitig arbeiten müssen, zusammen mit der gesamten Elektronik und der Synchronisation“, sagte Pompili.
Das Drei-Knoten-System ist besonders nützlich, da das Speicher-Qubit es Forschern ermöglicht, Knoten für Knoten im gesamten Netzwerk zu verschränken, anstatt alles auf einmal erledigen zu müssen. Sobald dies geschehen ist, können Informationen über das Netzwerk übertragen werden.
Einige der nächsten Schritte der Forscher mit ihrem neuen Netzwerk werden darin bestehen, diese Informationsübertragung zu versuchen und gleichzeitig wesentliche Komponenten der Rechenfähigkeiten des Netzwerks zu verbessern, damit sie wie normale Computernetzwerke funktionieren können. All diese Dinge werden den Umfang bestimmen, den das neue Quantennetzwerk erreichen könnte.
Sie möchten auch sehen, ob ihr System es ihnen ermöglicht, eine Verflechtung zwischen Delft und Den Haag herzustellen, zwei niederländischen Städten, die etwa 10 Kilometer voneinander entfernt sind.
„Derzeit liegen alle unsere Knotenpunkte innerhalb von 10 bis 20 Metern [32 bis 66 Fuß] voneinander“, sagte Pompili. „Wenn Sie etwas Nützliches wollen, müssen Sie auf Kilometer zurückgreifen.“ „Das wird das erste Mal sein, dass wir eine Verbindung zwischen großen Entfernungen herstellen.“
Die Forscher veröffentlichten ihre Ergebnisse am 16. April in der Zeitschrift Wissenschaft .
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