Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Verschränkte Quantennetze

26.02.2007
Quantennetzwerke bestehen aus Knoten, die über den Austausch von Photonen Quan-tenzustände aussenden und empfangen können. Mit solchen Netzwerken können z.B. geheime Botschaften verschlüsselt auf sicherem Weg zu verschickt werden.

Dabei ist es wichtig, Quantenkommunikation zwischen beliebigen Knoten innerhalb des Netzes zu ermöglichen. Wie Prof. Ignacio Cirac, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenop-tik in Garching bei München, Antonio Acín (ICFO-Institut de Ciencies Fotoniques, Spanien) und Maciej Lewenstein (ICREA-Institució Catalana de Recerca i Estudis A-vançats, Spanien) berichten (Nature Physics, Advance Online Publication, 25. Februar 2007) hängt die Effizienz eines Quantenprotokolls stark davon ab, wie die Knoten dar-gestellt und miteinander verschränkt werden. Unter Ausnutzung von Eigenschaften, die nur Quantensysteme aufweisen, können Protokolle gestaltet werden, die auch in unend-lich ausgedehnten Netzen eine verlustfreie Übertragung von Information zwischen zwei beliebigen Knoten gewährleisten.

Die klassische Informationstheorie beschäftigt sich unter anderem damit, den optimalen Weg für die Informationsübertragung zwischen zwei beliebigen Knoten in einem Netzwerk zu fin-den. Dabei sind vor allem zwei Dinge zu beachten: zum einen, welche und wie viele Knoten miteinander verbunden sein müssen (es wäre zu teuer, alle miteinander verknüpfen), um eine Übertragung zu garantieren. Zum anderen, auf wie vielen und auf welchen Wegen man die Botschaft verschickt, um sie vollständig zu übermitteln, da nicht alle Kanäle perfekt sind (d.h. man hat ein Rauschen).

Mit ähnlichen Fragen hat man sich bei der Gestaltung von Quantennetzwerken zu befassen. Um hier Quanteninformationen von Knoten A nach Knoten B zu übertragen (dieser Vorgang wird auch Teleportation genannt), muss man erreichen, dass die beiden Knoten mit einander verschränkt sind. (Die Verschränkung zweier Quantensysteme bedeutet, dass ihre Eigenschaf-ten perfekt korreliert und damit voneinander abhängig sind.) So wie in der klassischen Infor-mationstheorie die Übertragungsprotokolle je nach der Anordnung der Knoten entsprechend gestaltet werden, geht es auch in der Quanteninformationstheorie darum, für spezielle Konfi-gurationen von Quantennetzwerken das optimale Protokoll zu finden, um die Informationen (selbst im Grenzfall unendlich ausgedehnter Quantennetzwerke) über weite Entfernungen verlustfrei zu übertragen.

... mehr zu:
»Quantennetzwerk
Ein Quantennetzwerk ist ein Verbund von Knoten, zwischen denen mit einer gewissen Wahr-scheinlichkeit eine Verbindung besteht, d.h. die einen gewissen Grad von Verschränkung aufweisen. Es müssen also effiziente Protokolle geschaffen werden, welche die Wahrschein-lichkeit maximieren, zwischen beliebigen Knoten maximale Verschränkung zu erhalten. Die hierfür von Cirac und seinen Mitarbeitern entwickelten Protokolle lehnen sich zwar an die Konzepte der klassischen Informationstheorie (Durchflusstheorie) an, steigern aber deren Ef-fizienz erheblich, indem sie Quantenphänomene berücksichtigen und ausnutzen.

So werden in klassischen Netzwerken "Repeater" eingesetzt, um das exponentielle Abklingen des Signals in Abhängigkeit von der Zahl der Knoten zu verhindern. Dazu gibt es in der Quanteninformationstheorie kein direktes Analogon. Dafür liefert die Quantenmechanik weit mehr Möglichkeiten als die klassische Informationstheorie, die Quantenbits zu manipulieren, um die Information vollständig zu erhalten.

Der fundamentale Unterschied zu klassischen Systemen besteht darin, dass man in einem Quantennetzwerk nicht mehr die Kanäle und Knoten einzeln betrachten muss. Man kann das Netzwerk vielmehr als einen einzigen Quantenzustand auffassen, den sich die Knoten teilen, und optimiert dann nicht mehr die Verschränkung von je zwei Knoten, sondern die globale Verschränkungsverteilung.

Auch unter diesen Bedingungen können, wie Cirac et al. zeigen, unterschiedliche Protokolle zu sehr unterschiedlichen Erfolgswahrscheinlichkeiten für maximale Verschränkung zwischen verschiedenen Knoten führen. Für einige Spezialfälle (ein- und zweidimensionale Netzwerke mit spezieller regelmäßiger Geometrie) erhalten die Wissenschaftler jedoch Protokolle, die deutlich besser als klassische Durchfluss-Protokolle sind. Für den Fall einer eindimensionalen Kette wurde das optimale Protokoll gefunden: auch unter Bedingungen, in denen das Signal klassisch exponentiell abklingen würde, ist hier die Übertragung von Quanteninformationen ohne Verluste möglich. (Quanten-Repeater können somit aufgefasst werden als einfache Quantennetzwerke, die Quantenkommunikation über weite Distanzen ermöglichen).

Die Rechnungen zeigen, dass das System hinsichtlich des Verschränkungsgrades eine Art Phasenübergang durchläuft: Unterhalb eines bestimmten Schwellenwertes für den Verschränkungsgrad ist der "Durchfluss" d.h. die Übertragung von A nach B, gleich Null. Oberhalb dieses Wertes bekommt der Durchfluss einen bestimmten festen Wert, der jetzt unabhängig von der Entfernung der Knoten ist.

Die Verschränkungsverteilung in einem Quantennetzwerk definiert also einen Rahmen, in dem statistische Methoden und Konzepte wie klassische Durchflusstheorie ganz natürlich ihre Anwendung finden. Das führt zu einem neuartigen kritischen Phänomen, einem Verschränkungsphasenübergang. Der entsprechende kritische Parameter ist die minimale Verschrän-kung, die notwendig ist, um einen perfekten Quantenkanal über weite Entfernungen zu etab-lieren. Ihr entspricht eine Durchflusswahrscheinlichkeit, die nicht mit der Entfernung bzw. der Zahl der Knoten exponentiell abfällt. Für die weitere Entwicklung von Quantennetzwerken ist es notwendig, solche Verschränkungs- und Durchfluss-Strategien besser zu verstehen. [O.M.]

Originalarbeit:

Antonio Acín, J. Ignacio Cirac, Maciej Lewenstein
Entanglement Percolation in Quantum Networks
Nature Physics online, 25. Februar 2007
Kontakt:
Prof. Dr. Ignacio Cirac
Lehrstuhl für Physik, TU München
Geschäftsführender Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik,
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Telefon: +49 - 89 / 32905 705 / 736
Fax: +49 - 89 / 32905 336
E-Mail: ignacio.cirac@mpq.mpg.de
www.mpq.mpg.de/cirac
Dr. Olivia Meyer-Streng
Presse & Kommunikation
Max-Planck-Institut für Quantenoptik,
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Telefon: +49 - 89 / 32905 213
Fax: +49 - 89 / 32905 200
E-Mail: olivia.meyer-streng@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Gesellschaft
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/cirac

Weitere Berichte zu: Quantennetzwerk

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: TU Chemnitz präsentiert weltweit einzigartige Pilotanlage für nachhaltigen Leichtbau

Wickelprinzip umgekehrt: Orbitalwickeltechnologie soll neue Maßstäbe in der großserientauglichen Fertigung komplexer Strukturbauteile setzen

Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter des Bundesexzellenzclusters „Technologiefusion für multifunktionale Leichtbaustrukturen" (MERGE) und des Instituts für...

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Internationaler Tag der Immunologie - 29. April 2017

28.04.2017 | Veranstaltungen

Kampf gegen multiresistente Tuberkulose – InfectoGnostics trifft MYCO-NET²-Partner in Peru

28.04.2017 | Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Über zwei Millionen für bessere Bordnetze

28.04.2017 | Förderungen Preise

Symbiose-Bakterien: Vom blinden Passagier zum Leibwächter des Wollkäfers

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie

Wie Pflanzen ihre Zucker leitenden Gewebe bilden

28.04.2017 | Biowissenschaften Chemie