Es werde Licht: Neuer Chip kann Quantenrechner weltweit koppeln

Ein neuer Chip könnte künftig helfen, Quantencomputer über große Distanzen miteinander zu verbinden - ein wichtiger Schritt auf dem Weg zum Quanteninternet. Möglich macht das eine neuartige Schnittstelle, bei der seltene Atome zentrale Aufgaben übernehmen.

Die Vision: Globales Netz für Quantencomputer

Noch arbeiten viele Quantencomputer mit Mikrowellen, während Glasfaserkabel Licht nutzen, um Daten zu transportieren. Das ist ein Problem, denn beide Systeme "verstehen" sich nicht ohne Vermittlung. Ein Team am California Institute of Technology hat nun einen winzigen Wandler entwickelt, der Mikrowellen-Signale in Licht umwandeln kann - verlustarm, mit geringer Störanfälligkeit und auf einem Chip-Format, das in größere Systeme integriert werden kann.

Herzstück der Technologie ist ein Kristall aus Yttrium-Orthovanadat, einer festen Verbindung aus Yttrium, Vanadium und Sauerstoff. In dieses Material wurden Ytterbium-171-Ionen eingebracht - ein Isotop eines Metalls aus der Gruppe der seltenen Erden. Dieser Aufbau sorgt dafür, dass Mikrowellen und Lichtteilchen effizient miteinander gekoppelt werden können. Der Trick dabei: Die Energielevel der Atome legen automatisch fest, bei welchen Frequenzen die Umwandlung stattfindet. Dadurch arbeiten Chips mit demselben Material stets auf denselben Frequenzen - ein Vorteil, wenn viele Einheiten in einem Netzwerk zuverlässig zusammenarbeiten sollen.


Auf der Oberseite des Chips befindet sich ein supraleitender Mikrowellenresonator, der mit Milliarden von Atomen im Kristall kommuniziert. Auf der Rückseite hilft ein Golddämpfer, die Lichtteilchen einzusammeln. Das gesamte System arbeitet bei sehr tiefen Temperaturen im Millikelvin-Bereich. In ersten Tests konnte die Umwandlung mit extrem niedrigem Rauschen durchgeführt werden - im Mittel wurde weniger als ein einzelnes zusätzliches Photon erzeugt.

"Der Transducer erzeugt nur etwa ein einzelnes Photon an Rauschen, und wir konnten jede Quelle dieses Rauschens identifizieren", sagt Ko-Erstautor Rikuto Fukumori laut Phys. Das macht ihn interessant für den künftigen Einsatz in Quantenrechnernetzen. Die Originalstudie, veröffentlicht in Nature Physics, zeigt, dass der Chip nicht nur funktioniert, sondern auch skalierbar ist.

Verbindung zum Alltag?

Wenn Quantencomputer sicher über große Entfernungen verbunden werden können, lassen sich hochsensible Daten übertragen - etwa medizinische Informationen oder Finanzdaten. Ein Abhören wäre dabei praktisch ausgeschlossen, da Quanteninformationen sich sofort verändern, sobald jemand unbemerkt darauf zugreift. Genau diese Eigenschaft macht Quantenkommunikation interessant für Anwendungen wie Online-Banking, digitale Identitäten oder abgesicherte Cloud-Dienste. Die Technologie dafür entsteht in solchen Projekten.

Diese Entwicklung ist ein wichtiger Schritt hin zu einer Infrastruktur, in der Quantencomputer weltweit vernetzt zusammenarbeiten - nicht nur in Forschungslaboren, sondern künftig auch als Grundlage sicherer digitaler Kommunikation - mit winzigen, kühlbaren Chips, in denen präzise kontrollierte Atome eine zentrale Rolle spielen.


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