02.02.2022

Speicherfreie Quantenrepeater im Blick

Neue Arbeitsgruppe an der Universität Würzburg erhält knapp fünf Millionen Euro.

Tobias Huber forscht am Lehrstuhl für Technische Physik der Julius-Maximilians-Universität Würzburg (JMU) zu Quanten­kommunikation und Quanten­computer. Für ein neues Projekt erhält er jetzt 4,8 Millionen Euro vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung. Damit kann der Physiker seine eigene Nachwuchs­gruppe aufbauen und über die Laufzeit von fünf Jahren hinweg an den Grundlagen der Quanten­technologien der zweiten Generation forschen. „Wir arbeiten daran, Photonen mithilfe von Halbleiter­strukturen in speziellen, komplex verschränkten Zuständen zu präparieren“, beschreibt Huber das Ziel der neuen Forschungs­gruppe. 

Abb.: Tobias Huber baut an der Universität Würzburg eine eigene Gruppe für...
Abb.: Tobias Huber baut an der Universität Würzburg eine eigene Gruppe für die Grundlagen der Quanten­technologie auf. (Bild: M. Meinecke, U. Würzburg)

Verschränkung ist neben der Super­position eine von zwei Schlüssel­komponenten für Quanten­technologien und bildet die Grundlage für Quantencomputer und ­Quantenkommunikation. Huber versetzt dafür in einem Halbleiter ein Elektron in einen angeregten Zustand. Fällt dieses Elektron anschließend in seinen Grundzustand zurück, emittiert es ein Photon. Wird dieser Prozess wiederholt, entstehen Photonen, die miteinander verschränkt sein können. Mit drei Photonen will Huber starten; am Ende hofft er, auf diese Weise bis zu 32 unter­einander verschränkte Photonen erzeugen zu können. Ein Beispiel dafür sind Quanten­netzwerke, die Information mit Lichtteilchen übertragen. Weil es dabei jedoch zu unver­meidbaren Leitungsverlusten kommt, sind die Übertragungs­strecken bisher begrenzt. Abhilfe sollen Quantenrepeater als Signal­verstärker schaffen. „Mit der Technik, an der wir arbeiten, wäre es möglich, speicherfreie Quantenrepeater zu entwickeln, was den Vorteil hat, dass man die zahlreichen Knoten eines Quanten­netzwerks nicht mehr synchronisieren muss“, so Huber.

Verschränkte Photonen sind auch die Grundlage von Quantencomputern. Als Informations­träger eingesetzt, können sie nicht nur Werte von Null oder Eins annehmen, sondern auch alle Zustände dazwischen. So hat Google einen Quanten­computer entwickelt, der mit 53 Qubits rechnet, und ist damit weltweit führend. Der Rechner ist in der Lage, spezielle Probleme innerhalb weniger Minuten zu lösen – wofür traditionelle Hochleistungsrechner mehrere tausend Jahre gebraucht hätten. „Quanten­computer sind Spezialrechner, die spezielle Probleme extrem effizient lösen können“, antwortet Tobias Huber. Was sie unter anderem so interessant macht, ist die Tatsache, dass unter diese speziellen Probleme die Primfaktor­zerlegung fällt – und damit die Basis der meistgenutzten Verschlüsselungs­techniken weltweit. Ein Quantencomputer wäre in der Lage, verschlüsselte Botschaften in kürzester Zeit zu knacken.

Um trotzdem sicher kommunizieren zu können, liefert allerdings Quanten­technologie auch die Lösung: Dafür arbeiten die Beteiligten mit einem geheimen Schlüssel, den sie mit Hilfe von verschränkten Photonen erzeugt haben. Greift ein unbefugter Zuhörer nun auf ein Photon zu, verändert sich dessen Zustand – und damit automatisch auch der Zustand sämtlicher verschränkter Photonen. Und die Gesprächspartner sehen: Sie werden gerade belauscht. Einfach wird die Arbeit für Tobias Hubers Nachwuchsgruppe nicht, und fünf Jahre sind dafür knapp bemessen. „Teilziele sind auf jeden Fall erreichbar. Es wird aber extrem herausfordernd, alle von uns gesteckten Ziele zu verwirklichen“, sagt er. Sogar das Risiko eines Ausfalls besteht seinen Worten nach. Denn letzten Endes sei seine Arbeit in Würzburg noch Grundlagen­forschung. 

Huber profitiert vom Nachwuchs­wettbewerb „Quantum Futur“ des BMBF. Es ist Teil des Programms „Quantentechnologien – von den Grundlagen zum Markt“. Er soll jungen Akademi­kerinnen und Akademikern beste Start- und Rahmen­bedingungen für ein erfolg­reiches wissenschaftliches Arbeiten bieten. Nachwuchsköpfe sollen so die Möglichkeit erhalten, den Übergang von Erkenntnissen der Grundlagenforschung in neuartige Anwendungen in der Industrie zu stimulieren. Bei der zweiten Generation der Quanten­technologien steht der kontrollierte Quanten­zustand einzelner oder gekoppelter Systeme im Vordergrund, das heißt seine gezielte Präparation, seine kohärente Kontrolle und nachfolgende Auslese. Dadurch ergeben sich Möglichkeiten für neue Anwendungen in der Informations­übertragung und -verarbeitung, höchstpräzise und sensible Mess- und Abbildungs­verfahren oder auch die Überwindung heutiger Beschränkungen bei der Simulation komplexer Systeme.

U. Würzburg / JOL

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