Ein KIT-Mitarbeiter integriert einen optischen Quantenspeicher in einen Kryostaten und koppelt ihn optisch per Glasfaser an ein supraleitendes Qubit. (Quelle: Markus Breig/KIT)

 

Die Entwicklung von Quantentechnologien hat in den vergangenen Jahrzehnten große Fortschritte gemacht. Besonders Quantencomputer stehen im Fokus, weil Expertinnen und Experten Durchbrüche in Bereichen wie Medikamentenentwicklung, Materialwissenschaften und Kryptographie erwarten. Doch ihr volles Potenzial erreichen Quantenrechner erst, wenn sie sich mit anderen Quantenkomponenten vernetzen. „Zurzeit arbeiten viele Quantensysteme unabhängig voneinander“, erläutert Professor David Hunger vom Physikalischen Institut des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT). „Im Projekt Superspin entwickeln wir eine Technologie, mit der sich ein Quantencomputer und ein Quantenspeicher zuverlässig koppeln lassen. Damit schaffen wir auch die Grundlage, um in Zukunft Quantencomputer zu verknüpfen, verteiltes Quantenrechnen zu realisieren und ein Quanteninternet aufzubauen.“

 

Wie die Kopplung funktioniert

Um die beiden Quantensysteme zu verbinden, müssen sie Informationen in Form von Qubits austauschen, den grundlegenden Informationseinheiten jedes Quantensystems. Für die Übertragung werden die Qubits in Photonen, also in Lichtteilchen, umgewandelt. Diese „fliegenden Qubits“ können sich dann schnell und nahezu verlustfrei durch Glasfaserkabel bewegen.

 

Um beliebige Quantenzustände über große Distanzen zu übertragen, nutzen Forschende das Prinzip der Quantenverschränkung: Zwei Teilchen werden in einen gemeinsamen Zustand gebracht und verhalten sich wie ein einziges System. Eine Veränderung des einen Teilchens beeinflusst unmittelbar das andere – unabhängig von der Entfernung. So entsteht eine Verbindung, die eine zuverlässige Übermittlung von Quantenzuständen von einem System auf das andere ermöglicht.

 

Übertragung über Glasfaserleitungen

Die konkrete Umsetzung ist technisch anspruchsvoll: Beide Quantensysteme beruhen auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien und nutzen verschiedene Frequenzen. Supraleitende Qubits arbeiten im Mikrowellenbereich, diamantbasierte Quantenspeicher hingegen speichern Informationen in Spinzuständen und werden mit Licht im sichtbaren Wellenlängenbereich adressiert. Im Projekt entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler daher spezielle Quanten-Transducer. Diese wandeln die empfindlichen Quantenzustände zunächst in einzelne Photonen um und passen deren Wellenlänge so an, dass sich die Photonen über Glasfaserleitungen im Telekom-Band transportieren lassen.

 

Am KIT entwickeln die Forschenden dazu einen Quantenspeicher aus speziellen Diamantdefekten, die Licht- und Spineigenschaften kombinieren. Der Speicher wird mit einem der beiden Transducer kompatibel sein, sodass die umgewandelten Photonen effizient gespeichert und bei Bedarf wieder abgerufen werden können. „Unser Projektziel ist es, die physikalisch völlig unterschiedlichen Systeme zu verbinden und eine Verschränkung zwischen einem supraleitenden Qubit und einem spinbasierten Quantenspeicher zu erzeugen“, sagt Hunger. „Das wäre nicht nur ein technischer Durchbruch, sondern auch ein wichtiger Schritt hin zu modularen und skalierbaren Quantentechnologien.“

 

Über das Projekt Superspin im Pathfinder-Programm

Das Pathfinder-Programm des Europäischen Innovationsrats (EIC) unterstützt visionäre Ideen für grundlegend neue Technologien. Superspin gehört zu 44 ausgewählten Projekten, die insgesamt mit mehr als 140 Millionen Euro unterstützt werden. Forschende des KIT arbeiten dabei mit Partnern der Aalto‑Universität in Finnland, der Palacký‑Universität Olmütz in Tschechien und dem niederländischen Start-up QphoX zusammen.

 

Siehe auch:

https://www.phi.kit.edu/english/hunger.php