Chinesische Wissenschaftler erzielen neuen Durchbruch: Sie bauen das erste stadtübergreifende Quantennetzwerk auf Basis von Verschränkung!

(Foto mit freundlicher Genehmigung von TUCHONG Creative)

Vor kurzem nutzte die University of Science and Technology of China die Einzelphotoneninterferenztechnologie, um Quantenverschränkung zwischen weit entfernten Quantenspeicherknoten zu erreichen, und baute auf dieser Grundlage das weltweit erste stadtweite Quantennetzwerk mit drei Knoten auf Basis von Quantenverschränkung auf. Durch diese Arbeit wurde die Entfernung realer quantenmechanischer Netzwerke von einigen zehn Metern auf einige zehn Kilometer erhöht. Die entsprechenden Ergebnisse wurden im Mai 2024 in der weltweit führenden wissenschaftlichen Zeitschrift Nature veröffentlicht.

Was also ist ein Quantenverschränkungsnetzwerk? Welche Bedeutung hat es?

Die Magie der Quantenverschränkung

Quantenverschränkung ist ein eigenartiges Phänomen in der Quantenmechanik. Es beschreibt einen Quantenüberlagerungszustand, in dem zwei oder mehr Teilchen miteinander verbunden sind, oder es kann sich um einen Quantenzustand handeln, in dem verschiedene physikalische Größen eines einzelnen Teilchens miteinander verbunden sind. Die Bildung derartiger Korrelationen wird häufig durch Erhaltungssätze wie Impulserhaltung oder Energieerhaltung eingeschränkt. Das heißt, wenn man alle diese Quantenüberlagerungszustände in allen Kombinationen zusammenfügt, diejenigen entfernt, die nicht dem Erhaltungssatz entsprechen, bleibt der quantenverschränkte Zustand übrig.

Bei der Quantenverschränkung zweier Teilchen ist es so, dass ihre Quantenzustände nicht unabhängig voneinander beschrieben werden können, selbst wenn die beiden Teilchen weit voneinander entfernt sind. Sie können nur durch die gesamte Quantenverschränkungswellenfunktion beschrieben werden. Wenn eines der Teilchen gemessen und sein Zustand bestimmt wird, wird sofort der Zustand des anderen Teilchens bestimmt. Diese über die klassische Physik hinausgehende Verbindung über Zeit und Raum hinweg wurde von Einstein als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnet.

Quantenbitübertragung

Durch Quantenverschränkung kann die kleinste Einheit der Quanteninformation, das Quantenbit, übertragen werden. Man spricht dabei von Quantenteleportation . Da Quantenverschränkung über große Entfernungen Quantenbits über große Entfernungen übertragen kann, können Quantenbits über große Entfernungen in diesem Netzwerk übertragen werden, wenn Quantenverschränkung ein Netzwerk bilden kann. Unabhängig davon, ob es sich um verteiltes Quantencomputing, verteilte Quantensensorik oder Quantenpräzisionsmessung in der Zukunft handelt, ist ein Netzwerk erforderlich, um Quantenbits kontinuierlich über große Entfernungen zu übertragen. Daher müssen wir zunächst ein solches Quantenverschränkungsnetzwerk realisieren.

Wichtiger Quantenspeicher

Der Kern des quantenverschränkten Netzwerks ist der Quantenspeicher. Ohne Quantenspeicher ist es exponentiell schwieriger, Knoten zu einem quantenverschränkten Netzwerk hinzuzufügen. Das heißt, die Wahrscheinlichkeit der Bildung einer Quantenverschränkung zwischen allen zwei benachbarten Knoten muss miteinander multipliziert werden und sinkt mit zunehmender Netzwerkgröße schnell auf nahezu Null.

Mit einem Quantenspeicher kann eine Quantenverschränkung zwischen zwei benachbarten Knoten gebildet und gespeichert werden. Der dritte Knoten bildet ebenfalls eine Quantenverschränkung mit dem Quantenspeicher, um den Verschränkungsaustausch abzuschließen, und so weiter, bis der Quantenspeicher nicht mehr gelesen werden kann. Die Schwierigkeit, Knoten zu einem solchen quantenverschränkten Netzwerk hinzuzufügen, ist logarithmisch , und die Lebensdauer und Betriebsgenauigkeit des Quantenspeichers bestimmen den Maßstab des quantenverschränkten Netzwerks.

Neuer Durchbruch chinesischer Wissenschaftler

Der Quantenspeicher selbst ist eine sehr anspruchsvolle Technologie, die sogar noch schwieriger ist als die von Quantencomputern. Nach jahrelanger Entwicklung kann es vor 2024 nur mehrknotenige quantenverschränkte Netzwerke mit einer Länge von mehreren zehn Metern unterstützen und darf das Labor nicht verlassen.

Nach langfristiger technischer Ansammlung und innovativer Photonenphasenkontrolltechnologie hat das Quantenspeicherteam der University of Science and Technology of China die Phasendifferenz zwischen den Lese- und Schreiblaserstrahlen des Quantenspeichers genau gesteuert und so die Betriebsgenauigkeit des Quantenspeichers erheblich verbessert und so ein quantenverschränktes Netzwerk zwischen drei Quantenspeichern realisiert, die mehr als zehn Kilometer voneinander entfernt sind . Die Gesamtlänge des gesamten Netzes beträgt Dutzende von Kilometern und bietet damit die Voraussetzungen für die Realisierung eines Stadtnetzes.

Diese Arbeit ähnelt also dem Computernetzwerk zur Übertragung klassischer Bits, dessen Prototyp in den späten 1960er Jahren das ARPANET war. Auch das Quantenverschränkungsnetzwerk zur Übertragung von Quantenbits hatte in den 2020er Jahren dieses Jahrhunderts seinen Prototyp.

Dieser Artikel ist eine Arbeit, die vom Science Popularization China Creation Cultivation Program unterstützt wird

Autor: Zhang Wenzhuo, Gründer von Quametic Quantum

Gutachter: Yin Zhangqi, Professor am Beijing Institute of Technology

Produziert von: Chinesische Vereinigung für Wissenschaft und Technologie, Abteilung für Wissenschaftspopularisierung

Hersteller: China Science and Technology Press Co., Ltd., Beijing Zhongke Xinghe Culture Media Co., Ltd.