Quantennetzwerke und wie sie funktionieren

Um zu verstehen, wie Quantennetzwerke funktioniert, sollte man zuerst verstehen, wie einzelne Quantencomputer funktionieren.

Bei Quantencomputern ist ein Problem, dass man diese nicht beliebig groß bauen kann bzw. dass der Aufwand überproportional mit der Größe ansteigt. Darum kann es sinnvoller sein, mehrere kleinere Quantencomputer miteinander zu vernetzen.

Das ist allerdings nicht so einfach, wie gewöhnliche Computer zu vernetzen denn zum einem kann man Daten in Quantencomputern nicht so einfach kopieren - siehe No-Cloning-Theroem und weiter verschicken. Und zum anderen, müssen die einzelnen Qubits miteinander quantenverschränkt sein, sollen sie miteinander rechnen. Und gerade diese Miteinander ergibt den großen Vorteil von Quantencomputern: Das Durchsuchen riesiger Datenräume quasi gleichzeitig, um die richtige Lösung quasi mit einem Fingerschnipp herauszufinden.

Dazu müssen alle an der Rechnung beteiligten Qubits aber ein Geflecht gemeinsamer Quantenverschränkungen sein. Was heißt, dass die Quantenverschränkung über eine Entfernung aufrecht erhalten werden muss. Das ist an und für sich aber kein Problem. Das wird ja schon bei der Quantenkryptografie angewandt und zwar bei der Methode mit quantenverschränkten Photonen.

Die Entfernung zwischen den beiden Qubits ist im Prinzip dabei kein Problem. Es gilt das Prinzip, dass ein Paar quantenverschränkter Teilchen beliebig weit entfernt sein dürfen, und dennoch eine Messung an einer Hälfte des Paars den Wert der andere Hälfte sofort festlegt. Das ist das, was Einstein eins als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnete.

Das Versenden des einen Qubits (die Paarhälfte) ist dann schon eher ein Problem. Aber auch kein unlösbares: Denn bei der Quantenkryptografie mit verschränkten Photonen wird dies ja schon gemacht. Das funktioniert zwar "nur" über wenige hundert Kilometer, aber zum Aufbau eines Netzwerkes ist das genug.

Mit einem Quantensystem könnte man "Zwischenergebnisse" berechnen. Diese Zwischenergebnisse könnte man zwar nicht einsehen, denn das Quantensystem ist eine Black-Box und die Kohärenz des Systems würde zusammenbrechen, wenn man nachschauen würde, was im Zwischenergebnis drinsteht. Aber das müssen wir ja auch nicht, wir schicken das noch unbestimmte Zwischenergebnis mit einer dazu nötigen Anzahl quantenverschränkter Photonen einfach an das nächste Quantensystem im Netzwerk. Das kümmert sich dann um die Weiterberechnung.

Prinzipiell kann man aber eine beliebige Kombination aus stationäre und mobilen Qubits benutzen, um eine Aufgabe zu lösen. Wobei nur die mobilen Qubits zu anderen Quantensystemen geschickt werden. Die Herausforderung ist es, die stationären mit dem mobilen Qubits zu verschränken, denn wir dürfen diese nicht so sehr stören, dass sie ihre Kohärenz verlieren würden.

Eine Möglichkeit, dies zu tun, wurde vom Team um Gerhard Rempe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching bei München entwickelt: Dabei wird ein Rubidium-Atom zwischen zwei Spiegeln mit höchsten Qualität und Ausrichtung eingefangen. Auf dieses Atom lässt man einen Impuls bestimmter Energie aus einem Laser einwirken, der dafür sorgt, dass ein Elektron im Atom in einen höheren Quantenzustand springt. Nach kurzer Zeit fällt das Elektron wieder in seinen Grundzustand. Dabei wird Energie frei, die sich als Photon manifestiert.

Dieses Photon springt jetzt viele Male zwischen den beiden perfekt ausgerichteten Spiegeln hin und her und hat im Prinzip nur eine einzige Fluchtmöglichkeit: exakt parallel zu den Spiegeloberflächen. Bei den zigtausenden von Reflexionen passiert es auch immer wieder das Atom selbst und irgendwann klappt es mit der Verschränkung und das Photon übernimmt den Quantenzustand des Atoms.

Und schlussendlich tritt es zur Seite aus. Dort wartet ein Glasfaserleitung, die es zu einer ganz ähnlichen Apparatur im nächsten Quantensystem weiterleitet. Hier trifft das Photon auf das Atom der Empfängerseite und verschränkt sich dadurch mit dem Atom auf Senderseite.

Dies erscheint alles sehr kompliziert, aufwändig und teuer. Und das ist es zur Zeit auch noch. Aber wie bei der Entwicklung des herkömmlichen Computers könnte auch hier der Fortschritt durch Miniaturisierung und ähnliches das Unterfangen kostengünstiger machen. Das Garchinger Team träumt deswegen auch schon von einem "Quanteninternet", ein auf Glasfaser basierendes Netzwerk, das abhörsicher ist, weil ein Man-in-the-Middle-Attack sofort auffallen würde. Und das zusammengenommen eine enorme Quantenrechenleistung bieten würde.

Aber bis es soweit ist, werden sicher noch viele, viele Jahre vergehen und viel Forschung nötig sein.

Quellen, Literaturverweise und weiterführende Links