Fehlerkorrektur für hochwertige Quantennetzwerke
In einem künftigen Internet, welches sich die quantenmechanischen Eigenschaften von übertragenen Lichtteilchen − sogenannten Photonen − zunutze macht, birgt zweierlei Potential. Zum einen können aufgrund des nicht kopierbaren Zustands dieser Photonen Daten abhörsicher übermittelt werden. Zum anderen können Quantenprozessoren durch gegenseitige Überlagerung mit Hilfe von Quantenkommunikationsnetzwerken – auch Quantenkorrelation genannt – zu einem Quanten-Supercomputer verbunden werden. Eine wesentliche Herausforderung besteht darin, Quanteninformation oder -korrelation zwischen mehreren Knoten eines Quantenkommunikationsnetzwerks zuverlässig zu übertragen. Hierfür müssen Übertragungsfehler erkannt und mit geeigneten Verfahren behoben werden.
Ziel des Projekts „HIgh FIdelity QUANTUM networks (Quantum HiFi)“ ist es, eine Technologieplattform für praxistaugliche, stabile Quantenkommunikationsnetzwerke mit einer entsprechenden Fehlerkorrektur zu entwickeln. Diese Netzwerke gründen auf diamantbasierten, modularen Quantenprozessoren. Diese Prozessoren bilden Knotenpunkte, die über Glasfasern miteinander verbunden sind. Die einzelnen Quantenprozessoren sollen über bis zu zehn Qubits verfügen. Hierdurch ist die Anwendung komplexer Algorithmen möglich, um Fehler zu erkennen und zu korrigieren. Zum anderen erlauben es die neuartigen Prozessoren, Daten in Quantenkommunikationsnetzwerken schneller zu übertragen. Zunächst dient silizium-dotiertes Diamantsubstrat der Umsetzung von Quantenprozessoren. Die Funktionsweise und Herstellung dieses Materialsystems ist gut verstanden und dient als Ausgangspunkt, um eine hohe Speicherzeit der Qubits zu erzielen. Damit lassen sich komplexe Algorithmen für eine effektive Fehlerkorrektur durchführen. Im weiteren Projektverlauf ist der Transfer des Systems auf zink-dotierten Diamantsubstraten geplant. Dadurch kann die bei silizium-dotierten Substraten notwendige kostspielige Tieftemperaturtechnik unterhalb eines Kelvins entfallen.
Im Vorhaben demonstrieren die Forschenden die hochqualitative Kopplung zwischen zwei Quantenmodulen, die über eine umfangreiche Fehlerkorrektur verfügen. Dies realisiert das Forschungsteam durch eine wesentliche Verbesserung der Quantenprozessoren, effiziente Schnittstellen und eine schnelle Regelungstechnik. Eine Nutzung des Systems oberhalb der Temperatur von einem Kelvin verringert die Anstrengungen in der notwendigen Kühltechnik, sodass skalierbare, praxistaugliche Module für eine verlässliche Quantenkommunikation mit hohen Datenraten in greifbare Nähe rücken. Die im Vorhaben entwickelte Fehlerkorrektur schafft die Grundlage für eine verlustärmere Informationsübertragung in der Quantenkommunikation. Somit wird eine quantengesicherte Kommunikation über größere Strecken als bisher möglich. Auch sind fehlerfreie hochkomplexe Rechnungen in einem Quantenkommunikationsnetzwerk realisierbar, in welchem mehrere Knoten miteinander korreliert sind und die auf diese Weise einen Quanten-Supercomputer bilden können.