Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Quantenkommunikation in „Zufallsnetzwerken“

21.05.2010
Physiker am MPQ entdecken überraschendes Verhalten von Quanten-Zufallsnetzwerken.

Im Prinzip ist jedermann über mehrere Ecken mit einer berühmten Persönlichkeit bekannt oder verwandt. Dass die „Welt so klein ist“, zeigten Studien, die sich mit dem Verhalten komplexer Netzwerke beschäftigen. Beispiele für Netzwerke dieser Art sind unter anderen das Internet oder das öffentliche Telefonnetz.


Modell eines Quanten-Zufallsnetzes

Erstmals hat nun eine Gruppe um Prof. Ignacio Cirac, Direktor am Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching bei München) und Leiter der Abteilung Theorie, das Verhalten komplexer Netzwerke im Mikrokosmos, d.h. in der Quantenwelt untersucht (Nature Physics, Advanced Online Publication, DOI:10.1038/NPHYS1665). Ein überraschendes Ergebnis war, dass es - im Gegensatz zu klassischen Netzwerken - selbst im Fall sehr schwacher Verknüpfung zwischen den Knoten möglich ist, bei der Ausführung einfacher Aufgaben beliebig komplexe Kommunikationsmuster zu erzeugen.

Die Eigenschaften von Netzwerken sind im Rahmen der klassischen statistischen Mechanik bereits ausführlich untersucht worden. In einem periodischen Netzwerk sind die Knotenpunkte per Definition in einer regelmäßigen Struktur angeordnet, und jeder Knoten ist mit einer festen Zahl von „geometrischen“ Nachbarn verbunden. Wenn periodische Netzwerke vergrößert werden, ändert sich ihre Topologie nicht, da lediglich diese Einheitszelle immer wieder hinzugefügt wird. Zufallsnetzwerke sind ganz anders aufgebaut: jeder einzelne Knoten ist mit einer festgelegten Wahrscheinlichkeit mit jedem beliebigen anderen Knoten im Netzwerk verknüpft. Abhängig von der Verbindungswahrscheinlichkeit treten in diesen Netzwerken im Grenzfall unendlicher Ausdehnung einige charakteristische Effekte auf. Im Fall einer ausreichend hohen Verbindungswahrscheinlichkeit sind fast alle Knoten als ein Teil eines riesigen Clusters zu betrachten; ist die Wahrscheinlichkeit für Verknüpfungen jedoch sehr gering, dann gibt es nur einige spärlich verteilte Gruppen von miteinander verknüpften Knoten.

In einem Quantennetzwerk wird eine Verknüpfung zwischen benachbarten Knoten (die „Kante“) durch genau ein Paar miteinander verschränkter Quanten-Bits (z.B. Atomen) hergestellt; anders ausgedrückt, ein Link in einem Quantennetzwerk repräsentiert die Verschränkung von zwei Quanten-Bits. Daher besitzt ein Knotenpunkt für jeden Nachbarn, zu dem er eine Verbindung aufbauen kann, genau ein Quanten-Bit; die verschiedenen Quanten-Bits können an dem Knotenpunkt manipuliert werden. Dies gilt generell für alle Arten von Quantennetzwerken. Allerdings gibt es verschiedene Möglichkeiten, die Verschränkung zwischen den benachbarten Quanten-Bits zu definieren. Bislang wurden Quanten-Netzwerke zumeist als periodisch strukturierte Graphen modelliert. In der hier zitierten Arbeit jedoch haben die Wissenschaftler das Ausmaß der Verschränkung zwischen zwei Knoten so gesetzt, dass sie der Verbindungswahrscheinlichkeit klassischer Zufallsgraphen entspricht.

Im klassischen Fall treten, wenn man die Verbindungswahrscheinlichkeiten mit der Größe des Netzwerkes skalieren lässt, plötzlich charakteristische Untergraphen auf: bei sehr niedrigen Wahrscheinlichkeiten kommen nur einfache (triviale) Links vor. Bei hohen Verbindungswahrscheinlichkeiten entstehen Graphen immer höherer Komplexität, wie etwa Dreiecke, Vierecke oder Sterne. Quantennetzwerke weisen ein ganz anderes Verhaltensmuster auf. Selbst bei extrem geringer Verschränkung zwischen den Knoten, die auf den ersten Blick allenfalls für eine einfache Verbindung ausreichen würde, lassen sich Untergraphen beliebig hoher Komplexität erzeugen. Dies ist vor allem eine Konsequenz des quantenmechanischen Superpositionsprinzips und der Möglichkeit, die Quantenbits an den Knotenpunkten kohärent zu manipulieren.

„In unserer Arbeit möchten wir zum einen deutlich machen, dass wir auch im Kontext der Quantenkommunikation Netzwerke mit ungeordneten Strukturen und keine periodischen Gitter untersuchen müssen”, erläutert Sébastien Perseguers, der dieses Thema im Rahmen seiner Doktorarbeit behandelt hat. „Wir wissen, dass Kommunikationsnetzwerke in der realen Welt eine komplexe Topologie besitzen, und höchstwahrscheinlich trifft das auch auf Quantennetzwerke zu. Zum andern möchten wir betonen, dass wir nicht nur bezüglich der Verknüpfungen zwischen den Knoten, sondern auch mit Blick auf das globale Netzwerk „Quantendenken“ an den Tag legen sollten. Ganz wichtig ist dabei die Beantwortung der Frage, was passiert, wenn man Verschränkungen über mehr als zwei Knoten zulässt.“ In naher Zukunft wollen die Wissenschaftler ihr Modell auch auf komplexe Netzwerke mit vielfältigeren Strukturen ausdehnen, wie man sie für die Beschreibung von Systemen in der Natur oder der Gesellschaft verwendet. Sie erwarten, dort auf eine Reihe weiterer überraschender Phänomene zu stoßen. Olivia Meyer-Streng

Originalveröffentlichung:
S. Perseguers, M. Lewenstein, A. Acín and J.I. Cirac
Quantum random networks
Nature Physics, Advanced Online Publication, DOI:10.1038/NPHYS1665
Kontakt:
Prof. Dr. Ignacio Cirac
Honorarprofessor, Technische Universität München
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Hans-Kopfermann-Straße 1
85748 Garching
Tel.: +49 - 89 / 32905 705 / 736
Fax: +49 - 89 / 32905 336
E-Mail: ignacio.cirac@mpq.mpg.de
Sébastien Perseguers
Max-Planck-Institut für Quantenoptik
Tel.:+49 - 89 / 32905 345
Fax: +49 - 89 / 32905 336
E-Mail: sebastien.perseguers@mpq.mpg.de

Dr. Olivia Meyer-Streng | Max-Planck-Institut
Weitere Informationen:
http://www.mpq.mpg.de/
http://www.mpq.mpg.de/Theorygroup/CIRAC

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Weltweit erste Herstellung des Materials Aluminiumscandiumnitrid per MOCVD
22.10.2019 | Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF

nachricht Hohlraum vermittelt starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie
22.10.2019 | Universität Basel

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: Hohlraum vermittelt starke Wechselwirkung zwischen Licht und Materie

Forschern ist es gelungen, mithilfe eines mikroskopischen Hohlraumes eine effiziente quantenmechanische Licht-Materie-Schnittstelle zu schaffen. Darin wird ein einzelnes Photon bis zu zehn Mal von einem künstlichen Atom ausgesandt und wieder absorbiert. Das eröffnet neue Perspektiven für die Quantentechnologie, berichten Physiker der Universität Basel und der Ruhr-Universität Bochum in der Zeitschrift «Nature».

Die Quantenphysik beschreibt Photonen als Lichtteilchen. Will man ein einzelnes Photon mit einem einzelnen Atom interagieren lassen, stellt dies aufgrund der...

Im Focus: A cavity leads to a strong interaction between light and matter

Researchers have succeeded in creating an efficient quantum-mechanical light-matter interface using a microscopic cavity. Within this cavity, a single photon is emitted and absorbed up to 10 times by an artificial atom. This opens up new prospects for quantum technology, report physicists at the University of Basel and Ruhr-University Bochum in the journal Nature.

Quantum physics describes photons as light particles. Achieving an interaction between a single photon and a single atom is a huge challenge due to the tiny...

Im Focus: Freiburger Forschenden gelingt die erste Synthese eines kationischen Tetraederclusters in Lösung

Hauptgruppenatome kommen oft in kleinen Clustern vor, die neutral, negativ oder positiv geladen sein können. Das bekannteste neutrale sogenannte Tetraedercluster ist der weiße Phosphor (P4), aber darüber hinaus sind weitere Tetraeder als Substanz isolierbar. Es handelt sich um Moleküle aus vier Atomen, deren räumliche Anordnung einem Tetraeder aus gleichseitigen Dreiecken entspricht. Bisher waren neben mindestens sechs neutralen Versionen wie As4 oder AsP3 eine Vielzahl von negativ geladenen Tetraedern wie In2Sb22– bekannt, jedoch keine kationischen, also positiv geladenen Varianten.

Ein Team um Prof. Dr. Ingo Krossing vom Institut für Anorganische und Analytische Chemie der Universität Freiburg ist es gelungen, diese positiv geladenen...

Im Focus: Die schnellste Ameise der Welt - Wüstenflitzer haben kurze Beine, aber eine perfekte Koordination

Silberameisen gelten als schnellste Ameisen der Welt - obwohl ihre Beine verhältnismäßig kurz sind. Daher haben Forschende der Universität Ulm den besonderen Laufstil dieses "Wüstenflitzers" auf einer Ameisen-Rennstrecke ergründet. Veröffentlicht wurde diese Entdeckung jüngst im „Journal of Experimental Biology“.

Sie geht auf Nahrungssuche, wenn andere Siesta halten: Die saharische Silberameise macht vor allem in der Mittagshitze der Sahara und in den Wüsten der...

Im Focus: Fraunhofer FHR zeigt kontaktlose, zerstörungsfreie Qualitätskontrolle von Kunststoffprodukten auf der K 2019

Auf der K 2019, der Weltleitmesse für die Kunststoff- und Kautschukindustrie vom 16.-23. Oktober in Düsseldorf, demonstriert das Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHR das breite Anwendungsspektrum des von ihm entwickelten Millimeterwellen-Scanners SAMMI® im Kunststoffbereich. Im Rahmen des Messeauftritts führen die Wissenschaftler die vielseitigen Möglichkeiten der Millimeterwellentechnologie zur kontaktlosen, zerstörungsfreien Prüfung von Kunststoffprodukten vor.

Millimeterwellen sind in der Lage, nicht leitende, sogenannte dielektrische Materialien zu durchdringen. Damit eigen sie sich in besonderem Maße zum Einsatz in...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

VideoLinks
Industrie & Wirtschaft
Veranstaltungen

13. Aachener Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung – »Collaborate to Innovate: Making the Net Work«

22.10.2019 | Veranstaltungen

Serienfertigung von XXL-Produkten: Expertentreffen in Hannover

22.10.2019 | Veranstaltungen

Digitales-Krankenhaus – wo bleibt der Mensch?

21.10.2019 | Veranstaltungen

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

13. Aachener Technologie- und Innovationsmanagement-Tagung – »Collaborate to Innovate: Making the Net Work«

22.10.2019 | Veranstaltungsnachrichten

Studenten entwickeln einen Koffer, der automatisch auf Schritt und Tritt folgt

22.10.2019 | Innovative Produkte

Chemikern der Universität Münster gelingt Herstellung neuartiger Lewis-Supersäuren auf Phosphor-Basis

22.10.2019 | Biowissenschaften Chemie

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