15 Sep. Auf dem Weg zum globalen Quantennetzwerk
Quantennetzwerke können Kommunikation extrem sicher machen, aber auch entfernte Quantencomputer zu einer einzigen, leistungsfähigeren Rechenmaschine verknüpfen und präzise Sensorsysteme ermöglichen, die Zeit oder Umweltbedingungen mit hoher Genauigkeit messen. Für diese Netzwerke werden sogenannte Quantennetzwerkknoten benötigt, die Quanteninformationen speichern und über Lichtteilchen austauschen können. Ein Team um Ben Lanyon vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck hat nun einen solchen Netzwerkknoten mit dem Prototyp eines Ionenfallen-Quantencomputers mit zehn Qubits demonstriert. Durch präzise Veränderung der elektrischen Felder werden Kalziumionen einzeln in einen optischen Resonator verschoben. Dort löst ein fein abgestimmter Laserpuls die Emission eines einzelnen Photons aus, dessen Polarisation mit dem Zustand des Ions verschränkt ist.
Hochskalierbare Quantenverschränkung
Die Methode erzeugt eine Kette von Photonen, die jeweils mit einem anderen Ionen-Qubit im Register verschränkt sind. In Zukunft könnten die Photonen zu entfernten Knotenpunkten eines Netzwerks gesendet werden und eine Verschränkung zwischen räumlich getrennten Quantencomputern herstellen. Das Forschungsteam berichtet von einer durchschnittliche Ionen-Photonen-Verschränkungsgüte von 92 % im Experiment, eine Genauigkeit, die für die Robustheit dieser Methode spricht.
„Eine der größten Stärken dieser Methode ist ihre Skalierbarkeit“, sagt Lanyon. „Während frühere Experimente nur zwei oder drei Ionen-Qubits mit einzelnen Photonen verbinden konnten, lässt sich unser Ansatz auf viel größere Register ausweiten, die potenziell Hunderte von Ionen und mehr enthalten können.“ Dies ebnet den Weg für die Vernetzung ganzer Quantenprozessoren über Laboratorien oder sogar Kontinente hinweg.
„Unsere Methode ist ein Schritt in Richtung größerer und komplexerer Quantennetzwerke“, sagt Marco Canteri, der Erstautor der Studie. „Sie bringt uns praktischen Anwendungen wie quantensicher Kommunikation, verteiltem Quantencomputing und großer verteilter Quantensensorik näher.“
Darüber hinaus könnte diese Technologie auch optische Atomuhren verbessern, so die Forschenden. Über Quantennetzwerke weltweit miteinander verbunden, könnten sie ein Zeitmesssystem von bisher unerreichter Genauigkeit zu bilden.
Originalveröffentlichung:
[M. Canteri et al.: Photon-interfaced ten-qubit register of trapped ions; Phys Rev Lett, 2025, doi: 10.1103/v5k1-whwz]
Quelle: www.uibk.ac.at
Bild: Harald Ritsch / Universität Innsbruck