Den första kvantrevolutionen medförde halvledarelektronik, lasern och slutligen internet. Det kommande, andra kvantrevolutionen lovar spionsäker kommunikation, extremt exakta kvantsensorer och kvantdatorer för tidigare olösliga beräkningsuppgifter. Men denna revolution är fortfarande i sin linda. Ett centralt forskningsobjekt är gränssnittet mellan lokala kvantenheter och ljuskvanter som möjliggör fjärröverföring av mycket känslig kvantinformation. Otto-Hahn-gruppen "Quantum Networks" vid Max-Planck-Institute of Quantum Optics i Garching forskar om ett sådant "kvantmodem". Teamet har nu fått ett första genombrott i en relativt enkel men mycket effektiv teknik som kan integreras i befintliga fiberoptiska nätverk. Verket publiceras denna vecka i Fysisk granskning X .

Corona-pandemin är en daglig påminnelse om hur viktigt internet har blivit. World Wide Web, en gång en biprodukt av grundläggande fysisk forskning, har radikalt förändrat vår kultur. Kan ett kvantinternet bli nästa stora innovation inom fysiken?

Det är fortfarande för tidigt att svara på den frågan, men grundforskning arbetar redan på kvantinternet. Många applikationer kommer att vara mer specialiserade och mindre sensuella än videokonferenser, men vikten av absolut spionsäker långdistanskommunikation är förståelig för alla. "I framtiden, ett kvantinternet skulle kunna användas för att ansluta kvantdatorer på olika platser, " Andreas Reiserer säger, "vilket skulle öka deras datorkraft avsevärt!" Fysikern leder den oberoende Otto-Hahn-forskargruppen "Quantum Networks" vid Max-Planck-Institute of Quantum Optics i Garching.

Ett kvantinternet handlar alltså i grund och botten om det globala nätverket av ny teknik som gör en mycket mer konsekvent användning av kvantfysik än någonsin tidigare. Dock, detta kräver lämpliga gränssnitt för den extremt känsliga kvantinformationen. Detta är en enorm teknisk utmaning, Därför är sådana gränssnitt ett centralt fokus för grundforskningen. De måste säkerställa att stationära kvantbitar – för korta qubits – interagerar effektivt med "flygande" kvantbitar för långdistanskommunikation utan att förstöra kvantinformationen. Stationära qubits kommer att finnas i lokala enheter, till exempel som minne eller processor i en kvantdator. Flygande qubits är vanligtvis lätta kvanta, fotoner, som transporterar kvantinformationen genom luften, ett vakuum av utrymme eller genom fiberoptiska nätverk.

Delikat samband mellan kvantbitar

"Kvantmodemet" är designat för att effektivt upprätta en koppling mellan flygande och stationära qubits. För det här syftet, teamet kring doktoranden Benjamin Merkel har utvecklat en ny teknik och har precis visat sin grundläggande funktionalitet. Dess avgörande fördel är att den skulle kunna integreras i det befintliga fiberoptiska telenätet. Detta skulle vara det snabbaste sättet att främja ett fungerande långdistansnätverk av kvantteknologier.

För att detta system ska fungera, de fotoner som skickas eller tas emot av modemet som kvantinformationsbärare måste matchas exakt till den infraröda våglängden hos laserljuset som används för telekommunikation. Det betyder att modemet måste ha qubits i vila som kan reagera exakt på dessa infraröda fotoner med ett kvantsprång. Endast på detta sätt kan den känsliga kvantinformationen sändas direkt mellan qubitarna i vila och de flygande qubitarna.

Omfattande forskning av den Garching-baserade gruppen visade att grundämnet erbium är bäst lämpat för detta ändamål. Dess elektroner kan utföra ett perfekt matchande kvantsprång. Tyvärr, erbiumatomerna är mycket ovilliga att göra detta kvantsprång. Därför, de måste fixeras i en miljö som tvingar dem att reagera snabbare. För att lösa det här problemet, erbiumatomerna och de infraröda fotonerna är inlåsta i ett lämpligt utrymme så länge som möjligt. "Du kan se det som en fest, som ska stimulera bästa möjliga kommunikation mellan, låt oss säga, tio gäster, " Reiserer förklarar. Storleken på utrymmet är avgörande här. "På en fotbollsstadion skulle gästerna gå vilse, en telefonbox skulle i sin tur vara för liten, " fortsätter fysikern, "men ett vardagsrum skulle fungera bra."

Festen, dock, skulle snabbt vara över eftersom fotonerna färdas med ljusets hastighet och därför är mycket flyktiga och alltid frestade att lämna. Det är därför Garching kvantmodemet använder ett litet spegelskåp som ett "vardagsrum" därtill, teamet packade atomerna i en genomskinlig kristall gjord av en yttriumsilikatförening, som är fem gånger tunnare än ett människohår. Denna kristall, i tur och ordning, placeras som en smörgås mellan två nästan perfekta speglar. För att eliminera atomernas värmevubblande, som är destruktivt för kvantinformation, hela ensemblen kyls till minus 271 °C.

Fotonpingis i spegelskåpet

Fotonerna som fångas mellan speglarna reflekteras fram och tillbaka genom kristallen som pingisbollar. De passerar erbiumatomerna så ofta så att atomerna har tillräckligt med tid att reagera med ett kvantsprång. Jämfört med en situation utan spegelskåp, detta sker mycket mer effektivt och nästan sextio gånger snabbare. Eftersom speglarna, trots deras perfektion, är också något permeabla för fotoner, modemet kan ansluta till nätverket.

"Vi är mycket glada över denna framgång, " säger Reiserer. Som ett nästa steg, han vill förbättra experimentet så att enskilda erbiumatomer kan adresseras som qubits via laserljus. Detta är inte bara ett viktigt steg mot ett användbart kvantmodem. Erbiumatomer som qubits i en kristall kan till och med fungera direkt som en kvantprocessor, som är den centrala delen av en kvantdator. Detta skulle göra modemet lätt kompatibelt med sådana kvantterminaler.

Med en så elegant lösning, jämförelsevis enkelt konstruerade "kvantrepeterare" skulle också bli möjliga. Var hundra kilometer, enheterna skulle behöva kompensera de ökande förlusterna av kvantinformation som transporteras av fotoner i det fiberoptiska nätverket. Sådana "quantum repeaters" är också i fokus för internationell forskning. "Även om en sådan enhet baserad på vår teknik skulle kosta ungefär hundra tusen euro, utbredd användning skulle inte vara orealistisk, " säger Reiserer.

Garchings kvantmodem är fortfarande ren grundforskning. Men det har potential att främja det tekniska förverkligandet av ett kvantinternet.