Quanteninternet bald Realität?

Wissenschaftler haben vor Kurzem eine neue Art von molekularem Qubit auf Basis des seltenen Elements Erbium entwickelt, das dazu beitragen könnte, Quantencomputer über die bestehende optische Infrastruktur zu verbinden und damit den Grundstein für ein zukünftiges Quanteninternet zu legen.

Erbium besitzt besondere optische und magnetische Eigenschaften, die die Übertragung von Quanteninformationen bei Telekommunikationswellenlängen ermöglichen, wie sie auch in globalen optischen Netzwerken verwendet werden. Dies erleichtert die Integration von Qubits in Siliziumchips und ebnet den Weg für kleinere und kompaktere Quantengeräte.

Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse am 2. Oktober in der Fachzeitschrift Science und beschrieb die Technologie als „einen vielversprechenden Baustein für skalierbare Quantentechnologien“, von hochsicheren Kommunikationsverbindungen bis hin zu Quantennetzwerken mit großer Reichweite.

Anders als herkömmliche Qubits, die üblicherweise supraleitende Schaltkreise, gefangene Ionen oder Photonen sind, nutzen molekulare Qubits einzelne Moleküle, deren Elektronenspin den Quantenzustand bestimmt. Das Erbium-Qubit ist insofern besonders, als es sowohl als Spin-Qubit als auch als photonisches Qubit fungiert, da es Informationen magnetisch speichern und optisch auslesen kann.

In Experimenten gelang es den Forschern, die Spins eines Erbiumatoms in eine kontrollierte Superposition zu bringen und anschließend die Quantenzustände mittels optischer Spektroskopie auszulesen. „Diese Moleküle können als nanoskalige Brücke zwischen Magnetismus und Optik fungieren“, sagte Mitautorin Leah Weiss.

Der Betrieb mit Telekommunikationswellenlängen bietet zwei entscheidende Vorteile: Signale legen große Entfernungen mit minimalen Verlusten zurück, und Licht durchdringt Silizium problemlos ohne Absorption. Dadurch eignen sich Erbium-Qubits ideal für On-Chip-Hardware.

Jedes Qubit besteht aus einem einzigen Molekül, das etwa 100.000 Mal kleiner ist als ein menschliches Haar, und seine Struktur lässt sich mittels synthetischer Chemie individuell anpassen. Diese Flexibilität ermöglicht die Integration in Festkörperbauelemente oder sogar in biologische Umgebungen.

Forschungsleiter David Awschalom betonte, dass die nächste Herausforderung die Integration sei: „Wir arbeiten daran, diese Qubits in On-Chip-Geräte einzubetten, was neue Möglichkeiten zur Steuerung und Verbindung von Molekülen eröffnen könnte.“