Leistungsstarke Quanten-Netzwerkknoten

Quanten-Netzwerke gelten als die Zukunft des Internets –aber statt klassischer Information in Bits wird Quanteninformation via Glasfaser übertragen. Solche Netzwerke könnten Kommunikation extrem sicher machen, aber auch entfernte Quantencomputer zu einer einzigen, weitaus leistungsfähigeren Rechenmaschine verknüpfen und präzise Sensorsysteme ermöglichen, die Zeit oder Umweltbedingungen mit beispielloser Genauigkeit messen können.

Um ein solches Netzwerk aufzubauen, werden sogenannte Quanten-Netzwerkknoten benötigt, die Quanteninformationen speichern und über Lichtteilchen austauschen können. Das 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 die Ionen 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.

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 erreichte im Experiment eine durchschnittliche Ionen-Photonen-Verschränkungsgüte von 92 Prozent, eine Genauigkeit, die für die Robustheit dieser Methode spricht.

„Eine der größten Stärken dieser Methode ist ihre Skalierbarkeit“, sagt Ben 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, die die Zeit so präzise messen, dass sie über die gesamte Lebensdauer des Universums weniger als eine Sekunde abweichen. Solche Uhren könnten über Quantennetzwerke miteinander verbunden werden, um ein weltweites Zeitmesssystem von unübertroffener Genauigkeit zu bilden.

Die nun in der Zeitschrift Physical Review Letters erschienene Arbeit wurde unter anderem vom Österreichischen Wissenschaftsfonds FWF und der Europäischen Union finanziell unterstützt und stellt nicht nur einen technischen Meilenstein dar, sondern auch einen wichtigen Baustein für die nächste Generation von Quantentechnologien.

Publikation: Photon-interfaced ten-qubit register of trapped ions. M. Canteri, Z. X. Koong, J. Bate, A. Winkler, V. Krutyanskiy, and B. P. Lanyon. Phys Rev Lett 2025. doi: 10.1103/v5k1-whwz