Quantencomputer: Erstes Multiknotennetzwerk

Forscher in den Niederlanden haben erfolgreich drei separate Quantenprozessoren in dem weltweit ersten Multi-Node-Quantennetzwerk verbunden. QuTech, ein Quantenforschungsinstitut mit Sitz in Delft, hat eine neue Arbeit veröffentlicht, in der drei Knoten, die Quantenbits (auch Qubits genannt) speichern und verarbeiten können, miteinander verbunden wurden. Dies, so die QuTech-Forscher, ist das erste rudimentäre Quantennetzwerk der Welt.

Es wäre der Vorbote eines völlig neuen Rechenmediums, das die Kräfte subatomarer Teilchen nutzt, um bei der Lösung  schwer kalkulierbarer Probleme die Schranken der Zeit auszulöschen.

Die Verbindung von Quantengeräten ist keineswegs eine Neuheit: Viele Forscher auf der ganzen Welt arbeiten derzeit an ähnlichen Netzwerken, haben es aber bisher nur geschafft, zwei Quantenprozessoren miteinander zu verbinden. Der Aufbau einer Multi-Knoten-Verbindung ist daher ein wichtiger Schritt, um die Größe des Netzwerks deutlich zu erweitern.

Ein Großteil der Forschungsbemühungen zielt darauf ab, ein Quanteninternet zu schaffen, das sich eines Tages über die gesamte Oberfläche des Planeten erstrecken könnte. Das Quanteninternet würde die Gesetze der Quantenmechanik ausnutzen, um Quantengeräte miteinander kommunizieren zu lassen. Es wird erwartet, dass dies eine Reihe von Anwendungen ermöglicht, die mit bestehenden klassischen Mitteln nicht ausgeführt werden können.

Zum Beispiel könnte das Quanteninternet kleine Quantengeräte miteinander verbinden, um einen großen Quantencluster mit mehr Rechenleistung als die anspruchsvollsten klassischen Supercomputer zu schaffen.

„Ein Quanteninternet wird eine Reihe neuartiger Anwendungen eröffnen, von unhackbarer Kommunikation und Cloud Computing mit vollständiger Privatsphäre der Anwender bis hin zur hochpräzisen Zeitmessung“, sagt Matteo Pompili, Mitglied des QuTech-Forschungsteams. „Und wie beim Internet vor 40 Jahren gibt es wahrscheinlich viele Anwendungen, die wir jetzt noch nicht absehen können.“

Eine der wichtigsten Quanteneigenschaften, die dem Quanteninternet zugrunde liegt, ist die Verschränkung – ein Phänomen, das auftritt, wenn zwei Quantenteilchen so gekoppelt sind, dass sie grundsätzlich miteinander verbunden sind, egal wie weit sie physikalisch voneinander entfernt sind.

Wenn zwei Quantenteilchen verschränkt sind, werden ihre Eigenschaften verknüpft, was bedeutet, dass jede Veränderung an einem der Teilchen unweigerlich im anderen reflektiert wird. In der Quantenkommunikation bedeutet dies, dass Wissenschaftler verschränkte Teilchen effektiv nutzen könnten, um Informationen von einem Qubit zu seinem gekoppelten Paar zu „teleportieren“, selbst wenn sich die beiden in getrennten Quantengeräten befinden.

Damit das System funktioniert, muss die Verschränkung jedoch erst einmal hergestellt und aufrechterhalten werden. In den letzten zehn Jahren wurde dies von zahlreichen Forschungsgruppen erreicht, typischerweise durch die Schaffung einer physikalischen Verbindung zwischen zwei Quantengeräten. Durch diese Verbindung, oft eine Glasfaser, können Qubits erzeugt, verschränkt und dann zwischen zwei separaten Quantengeräten verteilt werden.

Aber zwei Knoten reichen kaum aus, um ein großflächiges Netzwerk zu schaffen; und in einem Glasfaserkabel beispielsweise kann die Verschränkung nach etwa 100 Kilometern nicht mehr aufrechterhalten werden, was bedeutet, dass die bisher eingerichteten Quantennetzwerke durch die kurze Distanz, die sie abdecken können, begrenzt sind.

Aus diesem Grund hat das Forschungsteam von QuTech ein System entwickelt, das auf Zwischenknoten basiert, ähnlich wie Router im klassischen Internet, die die Verschränkung über größere Entfernungen aufrechterhalten könnten.

Die Architektur, die die Wissenschaftler aufgedeckt haben, ist scheinbar einfach. Ein mittlerer Knoten, genannt Bob, hat eine physikalische Verbindung zu zwei äußeren Knoten, genannt Alice und Charlie. Das bedeutet, dass eine Verschränkung zwischen Bob und jedem der äußeren Knoten hergestellt werden kann.

Bob ist mit zwei Qubits ausgestattet, von denen eines ein Speicher-Qubit ist, das es dem Gerät ermöglicht, eine bestehende Quantenverbindung, zum Beispiel mit Alice, zu speichern und gleichzeitig dank seines Kommunikations-Qubits eine neue Verbindung mit dem anderen Knoten – in diesem Szenario mit Charlie – herzustellen.

Sobald beide Verbindungen mit den äußeren Knoten hergestellt sind, verbindet Bob seine eigenen beiden Qubits lokal, wodurch ein vollständig verbundenes Netzwerk mit Verschränkung zwischen allen drei Knoten entsteht. Dies bedeutet, dass eine Quantenverbindung zwischen Alice und Charlie hergestellt werden kann, auch ohne eine direkte physikalische Verbindung zwischen den beiden Knoten. Das Team von QuTech entwickelte auch ein erstes Quantennetzwerkprotokoll, bei dem ein Flaggensignal anzeigt, dass jede Operation erfolgreich abgeschlossen wurde.

„Der Hauptvorteil dieser Demonstration ist, dass wir eine skalierbare Möglichkeit haben, mehrere Knoten zu einem Netzwerk zu verbinden“, erklärt Professor Ronald Hanson, der das Forschungsteam leitete.

„Wir haben einen Speicher, der den verschränkten Zustand speichern kann, während die neue Verschränkung vorbereitet wird. Und wir haben Ankündigungssignale, die uns sagen, wann die Verschränkung erfolgreich erzeugt wurde. Dadurch konnten wir eine Verschränkung zwischen den drei Knoten herstellen, die für die weitere Verarbeitung oder andere Protokolle genutzt werden kann. Dies ist das erste Mal, dass dies in einer Quantennetzwerkumgebung erreicht wurde.“

Das neue Netzwerk wird eine Testumgebung für die Entwicklung neuer Quanteninternet-Hardware, -Software und -Protokolle bieten; aber das Experiment muss sich auch von einem Proof-of-Concept zu einer praktikablen Lösung weiterentwickeln, um Quantennetzwerke zu skalieren.

Tatsächlich haben die Forscher bisher nur einzelne, separate Qubits und keine Quantenprozessoren miteinander verbunden. Sie werden sich nun darauf konzentrieren, mehr Qubits zu ihrem Drei-Knoten-Netzwerk hinzuzufügen und Software- und Hardware-Schichten auf höherer Ebene hinzuzufügen. Aber in der Zukunft erwartet das Team, dass der aktuelle Ansatz außerhalb des Labors auf bestehenden Telekommunikationsfasern getestet wird.

„Das zukünftige Quanteninternet wird aus unzähligen Quantengeräten und Zwischenknoten bestehen“, sagt Hanson. „Die Kollegen bei QuTech untersuchen bereits die zukünftige Kompatibilität mit bestehenden Dateninfrastrukturen.“

Die Forschung von QuTech wird von der EU-Allianz für das Quanteninternet unterstützt, die Teil des zehnjährigen, 1 Mrd. € (1,2 Mrd. $) schweren Quanten-Flaggschiffs der EU ist – einer 2018 gestarteten Initiative zur Förderung der Quantenforschung und -entwicklung.