Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenkommunikation: Wie man das Rauschen überlistet

29.03.2017

Wie kann man Quanteninformation zuverlässig übertragen, wenn man in der Verbindungsleitung mit störendem Rauschen zu kämpfen hat? Uni Innsbruck und TU Wien präsentieren neue Lösungen.

Wir kommunizieren heute mit Hilfe von Funksignalen, wir schicken elektrische Impulse durch lange Leitungen – doch das könnte sich bald ändern. Derzeit wird intensiv an Methoden der Quanten-Informationsübertragung gearbeitet. So könnte man abhörsichere Datenverbindungen herstellen oder vielleicht sogar eines Tages Quantencomputer miteinander verschalten.


Trotz störenden Rauschens kann man mit speziellen Tricks Quanten-Bits miteinander koppeln.

IQOQI/Harald Ritsch

Dazu muss es aber gelingen, die Information eines Quantensystems zuverlässig auf ein anderes zu übertragen – und das ist extrem schwierig. Gleichzeitig und unabhängig voneinander entwickelten nun zwei Forschungsteams, eines von der Universität Innsbruck und eines von der TU Wien, ein neuartiges Quanten-Kommunikationsprotokoll.

Es ermöglicht zuverlässige Quantenkommunikation sogar in Anwesenheit von störendem Rauschen. Die Grundidee beider Forschungsgruppen ist dieselbe: Ein zusätzliches Element am Anfang und am Ende der Leitung, ein sogenannter Quanten-Oszillator, soll störendes Rauschen in der Leitung unschädlich machen.

Zuverlässige Datenübertragung

Quantenkommunikations-Experimente gibt es schon lange. „Schon in den Neunzigerjahren wurde ein Quanten-Teleportations-Protokoll präsentiert, mit dem man den Zustand eines Quantensystems mit Hilfe von optischen Photonen auf ein anderes übertragen kann“, sagt Benoit Vermersch, Postdoc im Team von Prof. Peter Zoller an der Universität Innsbruck. Damit kann man riesige Distanzen überbrücken – allerdings nur wenn man in Kauf nimmt, dass die allermeisten Photonen verlorengehen und nur ein winziger Bruchteil von ihnen am Detektor ankommt.

„Uns ging es hingegen darum, einen Weg zu finden, wie man einen Quantenzustand zuverlässig von einem Ort zum anderen übertragen kann, ohne dafür mehrere Versuche zu benötigen“, erklärt Peter Rabl vom Atominstitut der TU Wien.

Besonders vielversprechende Elemente für künftige Quantentechnologien sind sogenannte „supraleitende Qbits“ - winzige Schaltkreise, die zwei verschiedene Zustände annehmen können. Im Gegensatz zu einem klassischen Lichtschalter, der immer entweder aus oder eingeschaltet ist, erlauben die Gesetze der Quantenphysik allerdings auch, dass ein solches Qbit eine beliebige Kombination dieser beiden Zustände annimmt, man spricht dann von einer Quanten-Überlagerung.

Um diese subtilen Quanten-Zustände von einem supraleitenden Qbit auf ein anderes zu übertragen, braucht man Photonen im Mikrowellenbereich, wie man sie auch heute bereits für klassische Signalübertragung verwendet. Eine zuverlässige Übertragung von Quanteninformation mit Mikrowellen galt bisher allerdings als unmöglich, weil das Rauschen der allgegenwärtigen Wärmestrahlung diese viel schwächeren Quantensignale komplett überlagert.

Neuartiges Übertragungsprotokoll

Die beiden Forschungsgruppen an der TU Wien und der Universität Innsbruck konnten nun allerdings zeigen, dass diese Einschränkung doch nicht so streng ist wie üblicherweise angenommen. In Zusammenarbeit mit Partnerteams aus Harvard und Yale (USA) konnten sie ein Übertragungsprotokoll entwickeln, mit dem sich das unvermeidliche Rauschen auslöschen lässt.

„Die Idee ist, die Qbits nicht direkt an eine Mikrowellen-Leitung anzukoppeln, sondern sowohl auf Sender- als auch auf Empfängerseite ein weiteres Quantensystem dazwischenzuschalten – einen Mikrowellen-Oszillator“, erklärt Peter Rabl.

„In der Mikrowellen-Leitung dazwischen entsteht ein Rauschen durch Wärmestrahlung, das lässt sich nicht verhindern“, sagt Benoit Vermersch. „Der entscheidende Punkt ist allerdings, dass dieses Rauschen beide Oszillatoren an beiden Enden auf die gleiche Weise beeinflusst. Daher ist es möglich, durch präzise Kontrollpulse den störenden Einfluss dieses Rauschens wieder exakt vom schwächeren Quanten-Signal zu trennen.“

„Nach unseren Berechnungen könnte man mit diesem Protokoll Qbits über hunderte Meter hinweg verbinden“, sagt Peter Rabl. „Man müsste die Leitungen dann zwar immer noch kühlen, doch auf lange Sicht ergeben sich damit technologisch durchaus machbare Möglichkeiten, ganze Gebäude oder auch Städte mit Mikrowellenleitungen quantenphysikalisch zu vernetzen.“

Originalpublikationen:

Quantum State Transfer via Noisy Photonic and Phononic. Waveguides. B. Vermersch, P.-O. Guimond, H. Pichler, and P. Zoller. Phys. Rev. Lett. 118, 133601
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.118.133601

Intracity Quantum Communication via Thermal Microwave Networks. Ze-Liang Xiang, Mengzhen Zhang, Liang Jiang, and Peter Rabl. Phys. Rev. X 7, 011035
http://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevX.7.011035

Viewpoint: Microwave Quantum States Beat the Heat. Johannes Fink. Physics 10, 32

Rückfragehinweise:
Prof. Peter Rabl
Atominstitut
Technische Universität Wien
Stadionallee 2, 1020 Wien
T: +43-1-58801-141830
peter.rabl@tuwien.ac.at

Dr. Benoit Vermersch
Institut für Theoretische Physik
Universität Innsbruck
Technikerstraße 25, 6020 Innsbruck
T: +43 512 507 52259
benoit.vermersch@uibk.ac.at

Dr. Florian Aigner | Technische Universität Wien
Weitere Informationen:
http://www.tuwien.ac.at

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Rätselhaftes IceCube-Ereignis könnte von Tau-Neutrino stammen
19.06.2018 | Johannes Gutenberg-Universität Mainz

nachricht Ein neues Experiment zum Verständnis der Dunklen Materie
14.06.2018 | Max-Planck-Institut für Radioastronomie

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: Überdosis Calcium

Nanokristalle beeinflussen die Differenzierung von Stammzellen während der Knochenbildung

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universitäten Freiburg und Basel haben einen Hauptschalter für die Regeneration von Knochengewebe identifiziert....

Im Focus: Overdosing on Calcium

Nano crystals impact stem cell fate during bone formation

Scientists from the University of Freiburg and the University of Basel identified a master regulator for bone regeneration. Prasad Shastri, Professor of...

Im Focus: AchemAsia 2019 in Shanghai

Die AchemAsia geht in ihr viertes Jahrzehnt und bricht auf zu neuen Ufern: Das International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production findet vom 21. bis 23. Mai 2019 in Shanghai, China statt. Gleichzeitig erhält die Veranstaltung ein aktuelles Profil: Die elfte Ausgabe fokussiert auf Themen, die für Chinas Prozessindustrie besonders relevant sind, und legt den Schwerpunkt auf Nachhaltigkeit und Innovation.

1989 wurde die AchemAsia als Spin-Off der ACHEMA ins Leben gerufen, um die Bedürfnisse der sich damals noch entwickelnden Iindustrie in China zu erfüllen. Seit...

Im Focus: AchemAsia 2019 will take place in Shanghai

Moving into its fourth decade, AchemAsia is setting out for new horizons: The International Expo and Innovation Forum for Sustainable Chemical Production will take place from 21-23 May 2019 in Shanghai, China. With an updated event profile, the eleventh edition focusses on topics that are especially relevant for the Chinese process industry, putting a strong emphasis on sustainability and innovation.

Founded in 1989 as a spin-off of ACHEMA to cater to the needs of China’s then developing industry, AchemAsia has since grown into a platform where the latest...

Im Focus: Li-Fi erstmals für das industrielle Internet der Dinge getestet

Mit einer Abschlusspräsentation im BMW Werk München wurde das BMBF-geförderte Projekt OWICELLS erfolgreich abgeschlossen. Dabei wurde eine Li-Fi Kommunikation zu einem mobilen Roboter in einer 5x5m² Fertigungszelle demonstriert, der produktionsübliche Vorgänge durchführt (Teile schweißen, umlegen und prüfen). Die robuste, optische Drahtlosübertragung beruht auf räumlicher Diversität, d.h. Daten werden von mehreren LEDs und mehreren Photodioden gleichzeitig gesendet und empfangen. Das System kann Daten mit mehr als 100 Mbit/s und fünf Millisekunden Latenz übertragen.

Moderne Produktionstechniken in der Automobilindustrie müssen flexibler werden, um sich an individuelle Kundenwünsche anpassen zu können. Forscher untersuchen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

Hengstberger-Symposium zur Sternentstehung

19.06.2018 | Veranstaltungen

LymphomKompetenz KOMPAKT: Neues vom EHA2018

19.06.2018 | Veranstaltungen

Simulierter Eingriff am virtuellen Herzen

18.06.2018 | Veranstaltungen

VideoLinks
Wissenschaft & Forschung
Weitere VideoLinks im Überblick >>>
 
Aktuelle Beiträge

Rätselhaftes IceCube-Ereignis könnte von Tau-Neutrino stammen

19.06.2018 | Physik Astronomie

Automatisierung und Produktionstechnik – Wandlungsfähig – Präzise – Digital

19.06.2018 | Messenachrichten

Überdosis Calcium

19.06.2018 | Medizin Gesundheit

Weitere B2B-VideoLinks
IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics