Quantum Networking at the Speed of Quantum Computation: Kilohertz Entanglement in a Heterogeneous Quantum System

Der Bau eines Computers, der Probleme lösen kann, die jenseits der Reichweite heutiger Maschinen liegen, erfordert einen grundlegenden Wandel in der Art und Weise, wie wir über Information denken. Anstatt Bits, die entweder Null oder Eins sind, nutzen diese zukünftigen Maschinen Quantenbits, oder Qubits, die gleichzeitig in einer empfindlichen Mischung aus beiden Zuständen existieren können. Um diese Maschinen leistungsstark genug zu machen, um reale Herausforderungen anzugehen, können sich Wissenschaftler nicht auf einen einzelnen Chip verlassen; sie müssen viele kleine Prozessoren zu einem riesigen Netzwerk verbinden. Die Herausforderung besteht darin, dass die Verbindung dieser separaten Module unglaublich schwierig ist. Die Verbindung muss schnell genug sein, um zu verhindern, dass die Quanteninformation verblasst, und sie muss präzise genug sein, um sicherzustellen, dass die beiden Enden der Verbindung perfekt synchronisiert sind. Wenn die Verbindung zu langsam oder zu fehleranfällig ist, bricht das gesamte System zusammen, bevor es eine Berechnung abschließen kann.

Jahrelang haben Forscher versucht, diese Lücken mithilfe von Licht zu überbrücken. Photonen, die Teilchen, aus denen das Licht besteht, sind exzellente Informationsträger, da sie schnell reisen und nur schwach mit ihrer Umgebung interagieren. Doch das Senden eines Photons von einem Prozessor zu einem anderen ist wie der Versuch, ein Glühwürmchen in einem Hurrikan zu fangen; meistens geht das Licht verloren, bevor es sein Ziel erreicht. Dieser Verlust zwingt Wissenschaftler dazu, es immer und immer wieder zu versuchen, was den gesamten Prozess zu einem Schneckentempo ausbremst. Das Ziel war es schon immer, einen Weg zu finden, damit diese Verbindung tausendfach pro Sekunde stattfinden kann, passend zur Geschwindigkeit, mit der die Prozessoren selbst arbeiten.

Einem Team von Forschern ist nun ein bedeutender Schritt in Richtung dieses Ziels gelungen, indem sie zwei sehr unterschiedliche Arten von Quantensystemen mit einer bisher nie erreichten Geschwindigkeit miteinander verknüpften. Sie verbanden ein einzelnes Atom, das durch elektrische Felder in einem Vakuum gefangen war, mit einem winzigen Defekt innerhalb eines Diamantkristalls. Das Atom fungiert als Prozessor, während der Defekt im Diamanten als Speichereinheit dient. Durch die Verwendung eines Lichtstrahls, um die Lücke zwischen ihnen zu überbrücken, gelang es dem Team, eine spezielle Verbindung namens Verschränkung zu erzeugen, bei der die beiden entfernten Objekte so tief miteinander verbunden sind, dass der Zustand des einen augenblicklich den anderen beeinflusst. Sie erreichten diese Verbindung mit einer durchschnittlichen Rate von 1,03 tausend Mal pro Sekunde, einer Geschwindigkeit, die dem Zyklus der Prozessoren entspricht, die sie in Zukunft verbinden wollen.

Das Experiment beinhaltete eine sorgfältig choreografierte Reise eines einzelnen Lichtpartikels. Es begann mit einem Barium-Ion, einem einzelnen Bariumatom, das in einer Vakuumkammer gehalten wurde. Die Forscher regten dieses Atom mit einem Laserpuls an, was es dazu brachte, ein Photon auszusenden. Dieses Photon trug Informationen über den internen Zustand des Atoms, war aber noch nicht bereit, zum Diamanten zu reisen. Das Photon musste in eine andere Lichtfarbe umgewandelt werden, und seine Information musste in ein neues Format umgeschrieben werden, das der Diamant verstehen konnte. Das Team nutzte einen speziellen Kristall, um die Farbe des Photons zu ändern, und ein anderes Gerät, um die Art und Weise zu verschieben, wie seine Information kodiert war, indem es von einem Signal basierend auf Polarisation in eines basierend auf Zeitverzögerung umgewandelt wurde.

Sobald das Photon bereit war, reiste es durch Glasfaserkabel zu einem Diamantchip, der auf einer Temperatur knapp über dem absoluten Nullpunkt gekühlt war. In diesem Chip befand sich ein Silizium-Vakanz-Zentrum, eine spezifische Art von Defekt, bei dem ein Siliziumatom an einer Stelle sitzt, die normalerweise von einem Kohlenstoffatom eingenommen wird. Dieser Defekt fungiert als Quantenspeicher. Als das Photon ankam, interagierte es mit dem Elektronenspin des Silizium-Defekts. Wenn das Photon von der Diamantkavität reflektiert wurde, bedeutete dies, dass die Interaktion stattgefunden hatte und die beiden Systeme nun verschränkt waren. Die Detektion dieses einzelnen reflektierten Photons diente als Signal oder als „Herald“, der bestätigte, dass die Verbindung erfolgreich hergestellt worden war.

Die Forscher maßen die Qualität dieser Verbindung und stellten fest, dass sie bemerkenswert hoch war. Die erzeugten verschränkten Paare waren zu 8-achtzig Prozent korrekt. Dieses Maß an Genauigkeit ist entscheidend, da es bedeutet, dass die Verbindung zuverlässig genug ist, um in zukünftigen Quantennetzwerken verwendet zu werden. Die Geschwindigkeit von 1,03 tausend Verbindungen pro Sekunde ist viermal schneller als der bisherige Rekord für die Verbindung zweier gefangener Ionen. Noch wichtiger ist, dass diese Rate einer erfolgreichen Verbindung alle Millisekunden entspricht, was genau der Geschwindigkeit entspricht, mit der die geplanten Ionen-basierten Prozessoren operieren werden. Diese Synchronisation ist lebenswichtig; wenn das Netzwerk langsamer ist als der Prozessor, wird der Computer die meiste Zeit mit dem Warten auf Daten statt mit dem Rechnen verbringen.

Der Erfolg dieses Experiments beruhte auf der Kombination der Stärken zweier unterschiedlicher Technologien. Das gefangene Ion ist exzellent darin, Photonen schnell auszusenden, aber es ist schwierig, diese Photonen effizient zu sammeln. Der Diamantspeicher hingegen ist sehr gut darin, mit Photonen zu interagieren, hat aber Schwierigkeiten, sie aus eigener Kraft zu erzeugen. Durch die Verknüpfung dieser beiden schuf das Team ein hybrides System, in dem das Ion die Geschwindigkeit und der Diamant die Effizienz liefert. Sie überwanden die üblichen Kompromisse, indem sie einen Aufbau nutzten, der es ermöglichte, das Licht vom Ion zu sammeln, ohne komplexe Optiken in die Vakuumkammer zu stellen, und es anschließend mit hoher Präzision vom Diamantgedächtnis zu reflektieren.

Obwohl die Ergebnisse beeindruckend sind, betonen die Forscher, dass dies nicht das endgültige Ziel ist. Das aktuelle System verliert immer noch einige Photonen auf dem Weg, und die Fidelität, also die Genauigkeit der Verbindung, ist noch nicht perfekt. Das Team identifizierte spezifische Fehlerquellen, wie etwa Licht, das durch Filter leckt, oder das Gedächtnis, das seinen Zustand verliert, bevor die Verbindung bestätigt werden kann. Sie glauben, dass sie durch die Verbesserung der Lichtsammlung, die Verfeinerung des Konvertierungsprozesses und den Einsatz besserer Detektoren die Geschwindigkeit noch weiter steigern können, potenziell Raten von fünftausend Verbindungen pro Sekunde oder mehr erreichen.

Diese Arbeit zeigt, dass es möglich ist, ein Quantennetzwerk zu bauen, das mit der Geschwindigkeit der Prozessoren arbeitet, die es verbindet. Sie beweist, dass heterogene Systeme, die verschiedene Arten von Quantenhardware mischen, effektiv zusammenarbeiten können. Während die Forscher nach vorne blicken, sehen sie einen Weg, viele solcher Module zu verbinden, um einen groß angelegten Quantencomputer zu erschaffen. Diese Architektur könnte es ermöglichen, die Verschränkung über ein Netzwerk zu verteilen, sodass Prozessoren gemeinsam an komplexen Algorithmen arbeiten können. Die Fähigkeit, Quantenzustände von einem schwachen Signal in einen leistungsstarken Prozessor zu teleportieren, könnte zudem neue Türen für Sensorik und Kommunikation öffnen. Das Experiment steht als konkreter Beweis dafür, dass der Engpass langsamer, probabilistischer Verbindungen überwunden werden kann, was die Vision eines verteilten Quanteninternets einen Schritt näher zur Realität bringt.