Ein Quantum Zukunft

Stellen Sie sich vor, Sie möchten eine E-Mail schreiben, die so vertraulich ist, dass sie wirklich niemand lesen soll. Dazu benutzen Sie Ihr kürzlich gekauftes teures Gerät, den „Quanten-Mailer“, der Quantenzustände zur Verschlüsselung verwendet. Die Sicherheit dieses Verfahrens beruht nicht auf mathematischen Annahmen, sondern auf den Gesetzen der Quantenphysik. Da die E-Mail an einen mehr als 100 km weit entfernten Ort gesendet werden soll, ist Ihr Gerät an ein Quantennetz angeschlossen. Dieses Netz verwendet Quantenverstärker, sogenannte Quantenrepeater, um auf diese Weise große Distanzen zu überbrücken. Willkommen in der Zukunft!

In der Gegenwart ist dies leider noch nicht möglich, da es noch keinen funktionierenden Quantenrepeater gibt. Warum nicht? Weil ein Quantenrepeater um ein Vielfaches komplexer als ein klassischer Repeater ist. Letzterer ist im Wesentlichen ein Signalverstärker für elektrische oder optische Signale. Ein Quantensignal kann aber nicht auf einfache Weise verstärkt werden, weil ein unbekannter Quantenzustand nicht kopierbar ist. Das zeigten William Wootters und Wojciech Zurek bereits 1982.

Um einen Quantenrepeater zu bauen, müssen zusammengesetzte Quantensysteme und deren Bausteine nach dem Erzeugen und Versenden gezielt adressiert und mit höchster Präzision kontrolliert werden. Konkret wird dazu ein ganzes Arsenal an derzeit erst in der Entwicklung befindlichen Quantentechnologien benötigt: Verschränkungsproduktion und -messung, Farbumwandlung von Photonen, Übertragung von photonischen Quantenzuständen auf Materie-Quantenzustände, Speicherung von einzelnen Quanten. Jede einzelne dieser Aufgaben klingt schon abenteuerlich genug – zum Bau eines Quantenrepeaters müssen sie aber alle mit hoher Qualität möglich sein und miteinander in Verbindung gebracht werden. Ist die Lage also hoffnungslos?

Denken wir einmal zurück an das Jahr 1984, in dem George Orwells gleichnamiger Roman spielt. In diesem Jahr schlugen Charles Bennett und Gilles Brassard ein Verfahren zur Quantenkryptographie vor, das nach ihnen „BB84“ heißt. Dies war der Beginn einer rasanten Entwicklung eines neuen Forschungsgebietes, der Quanteninformationsverarbeitung. In den 1990er Jahren befassten sich nur vereinzelt Forscher, vor allem in den USA und Großbritannien, mit der Frage, wie die Gesetze der Informationsverarbeitung sich ändern, wenn die Information in quantenmechanischen Freiheitsgraden kodiert ist. Heute gibt es weltweit zahlreiche Forschungsgruppen auf diesem rasant wachsenden Gebiet.

Man mag sich darüber streiten, ob Orwells „1984“ als düstere oder „BB84“ als nützliche Zukunftsvision schon weitergehend umgesetzt sind. Unbestritten ist, dass es seit 1984 vielfältige und eindrucksvolle experimentelle Umsetzungen und technologische Entwicklungen auf dem Gebiet der Quantenmechanik und Quanteninformation gegeben hat. Sie reichen von der Realisierung der Quantenteleportation über die Implementierung von Quantenkryptographie über kurze und mittlere Distanzen, die Beobachtung von Interferenz mit makroskopischen Teilchen, die Entwicklung von Quantenkomponenten, die Implementierung von einfachen Quantenalgorithmen bis hin zu Einzelphotonenquellen und -detektoren. Kürzlich gelang sogar drei unabhängigen Gruppen in Delft, Wien und Waterloo der Nachweis der schlupflochfreien Verletzung einer Bell-Ungleichung.

All diese Fortschritte in der Quantenwelt haben es möglich gemacht, sich an das komplexe Projekt „Quantenrepeater“ zu wagen. Auch wenn es heute noch keinen vollständigen Quantenrepeater gibt: Wir sind auf dem besten Weg dorthin. Ein Quantum Zukunft haben wir schon heute.

Dagmar Bruß, Universität Düsseldorf

In der aktuellen Ausgabe von Physik in unserer Zeit berichten Christoph Becher, Dieter Meschede, Peter Michler und Reinhard Werner vom Q.com-Forschungsverbund über den derzeitigen Stand und die größten Herausforderungen auf diesem Gebiet. Sowohl dieses Editorial von Dagmar Bruß als auch der Artikel des Q.Com-Teams stehen zum freien Download bereit.