Mit der Entwicklung eines neuartigen molekularen Qubits, das Quanteninformationen über bestehende Glasfasernetze übertragen kann, wurde ein bedeutender Schritt in Richtung eines funktionierenden Quanteninternets erreicht. Forscher haben ein Qubit entwickelt, das auf dem Seltenerdelement Erbium basiert und dessen einzigartige optische und magnetische Eigenschaften nutzt, um die Lücke zwischen Quantenberechnung und herkömmlicher Telekommunikationsinfrastruktur zu schließen.
Die Herausforderung der Quantendatenübertragung
Die aktuellen Einschränkungen in der Quantenkommunikation sind auf die Zerbrechlichkeit von Qubits und die Schwierigkeit zurückzuführen, ihre empfindlichen Quantenzustände über große Entfernungen zu übertragen. Im Gegensatz zu klassischen Bits, die als binäre Einsen oder Nullen stabil sind, existieren Qubits in einer Überlagerung von Zuständen – sie repräsentieren gleichzeitig mehrere Werte. Diese Eigenschaft ist zwar für die Berechnung von großer Bedeutung, macht sie jedoch anfällig für Dekohärenz oder den Verlust von Quanteninformation während der Übertragung.
Um dieses Problem zu lösen, haben Wissenschaftler verschiedene Qubit-Technologien erforscht, darunter supraleitende Schaltkreise, eingefangene Ionen und Photonen. Das neue Qubit auf Erbiumbasis führt einen Hybridansatz ein, der die Stabilität von Spin-Qubits mit den Übertragungsfähigkeiten photonischer Qubits kombiniert.
Erbium: Ein vielseitiger Quantenbaustein
Das neu entwickelte Qubit nutzt die Fähigkeit des Erbiumatoms, Quanteninformationen magnetisch zu speichern und gleichzeitig optisch auszulesen. Diese Doppelfunktionalität ist entscheidend: Der magnetische Spin kodiert den Wert des Qubits, während die optischen Eigenschaften das Auslesen mit Standard-Spektroskopietechniken ermöglichen. Der Vorteil der Verwendung von Erbium ist seine Kompatibilität mit Telekommunikationswellenlängen – den Standardfrequenzen, die in Glasfasernetzen verwendet werden.
„Diese Moleküle können als nanoskalige Brücke zwischen der Welt des Magnetismus und der Welt der Optik fungieren“, erklärt Leah Weiss, Co-Erstautorin der Studie. „Informationen könnten im magnetischen Zustand eines Moleküls kodiert und dann mit Licht bei Wellenlängen abgerufen werden, die mit gut entwickelten Technologien kompatibel sind, die Glasfasernetzwerken und photonischen Siliziumschaltkreisen zugrunde liegen.“
Quantennetzwerke skalieren
Die Fähigkeit, bei Telekommunikationswellenlängen zu arbeiten, löst zwei Hauptprobleme: minimaler Signalverlust über große Entfernungen und nahtlose Integration mit Siliziumchips. Silizium ist für diese Frequenzen transparent und lässt optische Signale durch, ohne absorbiert zu werden. Dies bedeutet, dass Quantendaten in vorhandene Hardware eingebettet werden können, was den Weg für kleinere, kompaktere Geräte ebnet.
Die molekulare Struktur des Qubits, die etwa 100.000 Mal kleiner als ein menschliches Haar ist, ermöglicht zudem eine präzise Steuerung und Skalierbarkeit. Forscher können die Eigenschaften des Qubits mithilfe synthetischer Chemie anpassen und es so an Festkörpergeräte und sogar biologische Umgebungen anpassen.
Zukünftige Auswirkungen
Dieser Durchbruch stellt einen großen Fortschritt in der Quantenvernetzung dar. Die Möglichkeit, Quantentechnologie direkt in die bestehende Infrastruktur zu integrieren, könnte die Entwicklung hochsicherer Kommunikationsverbindungen und Quantencomputernetzwerke über große Entfernungen beschleunigen.
David Awschalom, Hauptforscher der Studie, erklärt: „Durch den Nachweis der Vielseitigkeit dieser Erbium-Molekül-Qubits machen wir einen weiteren Schritt in Richtung skalierbarer Quantennetzwerke, die direkt in die heutige optische Infrastruktur integriert werden können.“
Die Entwicklung dieses neuen Qubits bringt den Traum eines voll funktionsfähigen Quanteninternets näher an die Realität und verspricht eine Zukunft, in der sichere Quantenkommunikation über große Entfernungen keine theoretische, sondern eine praktische Möglichkeit mehr ist.
