Die enormen Mengen an Quantendaten, die Tausende Kilometer entfernt von Quantencomputern ausgetauscht werden, können durch einen neuen Detektor manipuliert werden, der von JPL und Caltech entwickelt wurde. Das Potenzial, millionenfach schneller zu laufen als aktuelle Computer, liegt im Quantencomputing. Damit Quantencomputer jedoch über große Entfernungen verbunden werden können, wird ein spezielles Quantenkommunikationsnetz benötigt.
Um beim Aufbau eines solchen Netzes zu helfen, haben Wissenschaftler des Jet Propulsion Laboratory der NASA und des Caltech ein Gerät entwickelt, das unzählige winzige Photonen (Partikel von Quantenlicht) mit unglaublicher Genauigkeit zählen kann. Der Performance-Enhanced Array for Counting Optical Quanta (PEACOQ)-Detektor kann die Zeit, zu der jedes Photon auf sich selbst trifft, in 100 Billionstel Sekunden mit einer Rate von 1,5 Milliarden Photonen pro Sekunde überwachen; es ist wie das Messen einzelner Wassertropfen, die aus einem Feuerwehrschlauch gespritzt werden. Andere Detektoren konnten diese Geschwindigkeit nicht erreichen.
„Die Übertragung von Quanteninformationen über große Entfernungen war bisher sehr begrenzt“, sagte Ioana Craiciu vom PEACOQ-Projektteam, Postdoktorandin am JPL und Erstautorin der Studie. „Die Übertragung von Quanteninformationen mit höheren Geschwindigkeiten und weiter ist möglich dank neuer Detektortechnologien wie dem PEACOQ, der einzelne Photonen mit einer Genauigkeit von Bruchteilen einer Millisekunde messen kann.“
Herkömmliche Computer kopieren Informationen als eine Reihe von Einsen und Nullen, allgemein bekannt als Bits, und senden sie über Modems und Kommunikationsnetzwerke. Die Bits werden dann mithilfe von Funkwellen oder Lichtblitzen über Kabel, Glasfasern und den Weltraum übertragen. Nachdem die Teile abgerufen wurden, werden sie wieder zusammengesetzt, um die ursprünglichen Daten zu erzeugen.
Die Kommunikation zwischen Quantencomputern ist anders. Quantenbits oder Qubits werden zum Speichern von Informationen verwendet, bei denen es sich um grundlegende Teilchen wie Elektronen und Photonen handelt, die nicht reproduziert und erneut übertragen werden können, ohne zerstört zu werden. Quanteninformationen werden nach nur wenigen Dutzend Kilometern verzerrt, wenn sie mit codierten Photonen über Glasfasern übertragen werden, was die Schwierigkeit erhöht und die potenzielle Größe eines zukünftigen Netzwerks stark reduziert.
Ein spezielles optisches Quantennetzwerk im freien Weltraum könnte Weltraum-„Knoten“ auf erdumkreisenden Satelliten umfassen, damit Quantencomputer außerhalb dieser Beschränkungen kommunizieren können. Diese Knoten werden als Datensender fungieren, indem sie verschränkte Photonenpaare erzeugen und diese an zwei Quantencomputerterminals senden, die Hunderte oder vielleicht Tausende von Kilometern voneinander entfernt sind.
Selbst bei einem großen Abstand zwischen ihnen sind verschränkte Photonenpaare so miteinander verbunden, dass die Messung des einen die Ergebnisse der Messung des anderen sofort verändert. Ein sehr empfindlicher Detektor wie der PEACOQ müsste jedoch genau messen, wann er jedes Photon empfangen hat, und die darin enthaltenen Daten übertragen, damit diese verschränkten Photonen vom Terminal eines Quantencomputers empfangen werden können.
Gefieder-Supraleiter
Der Detektor ist ein kleines Gerät. Er verfügt über 32 supraleitende Niobnitrid-Nanodrähte auf einem Siliziumchip mit strahlenden Anschlüssen, die dem Detektor seinen Namen geben. Der Detektor ist nur 13 Mikrometer breit. Jeder Nanodraht ist 10.000 Mal dünner als ein menschliches Haar.
Der PEACOQ-Detektor, der vom Micro Devices Laboratory des JPL entwickelt und vom Space Communications and Navigation (SCaN)-Programm der NASA unterstützt wird, muss auf einer kryogenen Temperatur gehalten werden, die nur 272 Grad Fahrenheit unter dem absoluten Nullpunkt (minus 458 Grad Celsius) liegt. Dadurch bleibt der supraleitende Zustand der Nanodrähte erhalten; Dies ist notwendig, damit sie die absorbierten Photonen in elektrische Impulse umwandeln, die Quantendaten übertragen.
Der Detektor muss empfindlich genug sein, um einzelne Photonen zu detektieren, muss aber auch so gebaut sein, dass er dem gleichzeitigen Beschuss durch mehrere Photonen standhält. Diese Totzeit wird auf ein Minimum reduziert, obwohl jeder supraleitende Nanodraht im Detektor vorübergehend seine Fähigkeit verliert, mehr Photonen zu detektieren, wenn er von einem Photon getroffen wird. PEACOQ hat auch 32 Nanodrähte, so dass, wenn einer "stirbt", die anderen die Lücke füllen können.
Laut Craiciu wird PEACOQ bald in Laborexperimenten eingesetzt, um die Quantenkommunikation mit höheren Geschwindigkeiten oder über größere Entfernungen zu demonstrieren. Langfristig könnte es eine Lösung für das Problem bieten, wie man Quantendaten um die Welt schickt.
Deep-Space-Tests
PEACOQ basiert auf dem Detektor, der für die Deep Space Optical Communications (DSOC)-Technologiedemonstration der NASA entwickelt wurde, und ist Teil einer größeren NASA-Initiative zur Ermöglichung der optischen Kommunikation im freien Weltraum zwischen dem Weltraum und der Erde. DSOC wird später in diesem Jahr zum ersten Mal zusammen mit der Psyche-Mission der NASA starten, um zu demonstrieren, wie zukünftige optische Kommunikation mit hoher Bandbreite zwischen der Erde und dem Weltraum funktionieren könnte.
Während das DSOC-Bodenterminal am Palomar-Observatorium von Caltech in Südkalifornien keine Quanteninformationen übertragen wird, benötigt es dennoch die gleiche hohe Präzision, um einzelne Photonen zu zählen, die vom Laser des DSOC-Transceivers kommen, während er durch den Weltraum reist.
Matt Shaw, der für die Arbeit des JPL an supraleitenden Detektoren verantwortlich ist, sagte: „Dies wird als dieselbe Technologie angesehen wie eine andere Detektorkategorie. „Ob es mit Quanteninformationen codiert ist oder wir einzelne Photonen von einer Laserquelle im Weltraum nachweisen wollen, wir zählen immer noch einzelne Photonen“, sagte er.
Quelle: jpl.nasa.gov/news
Günceleme: 03/03/2023 18:57