QuantNet: Ein Quantennetzwerk mit Spins in Diamanten

Das Internet ist aus unserem heutigen Leben kaum mehr wegzudenken. Es bietet ein großflächiges Netzwerk, das nahezu alle modernen elektronischen Geräte miteinander verbindet. Da es sowohl die Kommunikation als auch den Austausch von Information maßgeblich vereinfacht hat, bildet es die Grundlage unserer globalisierten Welt. Obwohl bereits das klassische Internet zu beindruckenden technologischen Entwicklungen geführt hat, entstehen erst durch das Eintauchen in die Welt der Quanten ungeahnte Möglichkeiten. Die Gesetze der Quantenmechanik erlauben es uns, von einem Quanteninternet zu träumen. Die Idee eines solchen Netzwerks, zusammengesetzt aus Quantenapparaturen, basiert auf einem der faszinierendsten Konzepte der Quantenphysik - der quantenmechanische Verschränkung. Bei der Verschränkung verlieren zwei Teilchen ihre Individualität und können nur noch durch ihren gemeinsamen Zustand beschrieben werden. Dies führt zu einer Korrelation die unabhängig von deren Distanz bestehen bleibt. Dieser einzigartige Aspekt führt zu Möglichkeiten, die mit klassischer Technologie undenkbar wären, wie zum Beispiel eine sichere Kommunikation, eine perfekte Synchronisierung von Uhren oder die Möglichkeit modulare Quantencomputer zu einem großen starken Cluster zusammenzuschließen. Mit unserem Projekt QuantNet: Ein Quantennetzwerk mit Spins in Diamanten wollen wir den nächsten Schritt auf dem Weg zu einem Quanteninternet setzen. Ähnlich dem klassischen Internet muss ein Quantennetzwerk aus lokalen Prozessoren zur Speicherung und einer Schnittstelle zum Adressieren, Senden und Empfangen von Information bestehen. Als Bauelement für dieses neuartige Netzwerk werden wir sogenannte Farbzentren in Diamanten verwenden. Diese Zentren beinhalten elementare Spins Quantenzustände die sehr ähnlich wie in einem atomaren System gut kontrolliert werden können. Langlebige nukleare Spins bilden einen idealen Quanteninformationsspeicher, wohingegen ein elektronischer Spin die Rolle der Quantenschnittstelle übernimmt und über Photonen einen schnellen Informationsaustausch und Verschränkung unter den Bauelementen ermöglicht. Unser Projekt knüpft an die neusten Entwicklungen des Hostinstituts auf der Universität Delft an und hat zum Ziel ein Quantennetzwerk das Erste seiner Art - experimentell zu realisieren. Indem wir die internen Spins und die Wechselwirkung zwischen den verschiedenen Bauelementen kontrollieren, werden wir einen verschränkten Zustand über das gesamte Netzwerk erzeugen und die einzelnen Verbindungen gezielt manipulieren. Um in weiterer Folge dieses Netzwerk auf große Distanzen erweitern zu können, müssen wir die Photonenverluste in Glasfasern minimieren. Hierzu werden wir die zur Verschränkung verwendeten Photonen in den infraroten Wellenlängenbereich transferieren. Wir erwarten, dass unsere Forschung einen großen Einfluss auf dem Gebiet der Quanteninformation haben wird und uns dem Traum eines globalen Quanteninternets ein Stück näher bringt.

Im Rahmen des Erwin-Schrödinger-Projekts "QuantNet: Ein Quantennetzwerk mit Spins in Diamanten" haben wir große Schritte in Richtung der Entwicklung eines zukünftigen "Quanteninternets" unternommen - eines Netzwerks zusammengesetzt aus Quantenapparaturen. Obwohl bereits das klassische Internet zu beindruckenden technologischen Entwicklungen geführt hat, entstehen erst durch das Eintauchen in die Welt der Quanten ungeahnte Möglichkeiten. Die Idee eines solchen Netzwerks basiert auf einem der faszinierendsten Konzepte der Quantenphysik - der quantenmechanischen Verschränkung. Bei der Verschränkung verlieren zwei Teilchen ihre Individualität und können nur durch ihren gemeinsamen Zustand beschrieben werden. Dies führt zu einer Korrelation die unabhängig von deren Distanz bestehen bleibt. Dieser einzigartige Aspekt führt zu Möglichkeiten, die mit klassischer Technologie undenkbar wären, wie zum Beispiel eine sichere Kommunikation, eine perfekte Synchronisierung von Uhren oder die Möglichkeit modulare Quantencomputer zu einem großen starken Cluster zusammenzuschließen. Ähnlich dem klassischen Internet besteht ein Quantennetzwerk aus lokalen Prozessoren zur Speicherung und einer Schnittstelle zum Adressieren, Senden und Empfangen von Information. Im Rahmen dieses Projekts haben wir zwei verschiedene experimentelle Plattformen eingesetzt, welche diese Anforderungen erfüllen: sogenannte "Farbzentren" in Diamanten sowie elektrodynamisch gefangene Ionen in Ultrahochvakuum. Farbzentren beinhalten elementare Spins - Quantenzustände die sehr ähnlich wie in einem atomaren System gut kontrolliert werden können. Langlebige nukleare Spins bilden einen idealen Quanteninformationsspeicher, wohingegen ein elektronischer Spin die Rolle der Quantenschnittstelle übernimmt und über Photonen einen schnellen Informationsaustausch und Verschränkung unter den Bauelementen ermöglicht. Am Gastinstitut der Universität Delft haben wir experimentell ein Multiknoten-Quantennetzwerk realisiert - das Erste seiner Art. Durch die präzise Steuerung der internen Spins und der Wechselwirkung zwischen verschiedenen Bauelementen haben wir einen verschränkten Zustand über das gesamte Netzwerk erzeugt und konnten einen Quantenzustands von einem Ende an das andere Ende des Netzwerks "teleportieren". Ermöglicht hat diese, für zukünftige Quantennetzwerke essentielle Demonstration, vor allem eine erhebliche Verbesserungen der Qualität des nuklearen Spin-Quantenspeichers. An der Gastinstitution der Universität Innsbruck haben wir ein Quantennetzwerk zwischen zwei Ionen-Quantennetzwerkknoten realisiert, welche sich in unterschiedlichen Gebäuden des Universitätscampus befinden. Darüber hinaus haben wir die Möglichkeit eines hybriden Quantennetzwerkes, bestehend aus den beiden eingesetzten experimentellen Plattformen, untersucht. Unsere Arbeit ebnet den Weg für Quantennetzwerke, die sich über Hunderte von Kilometern erstrecken könnten, und bringt uns dem Traum eines globalen Quanteninternets ein Stück näher.