Berliner Forschung kommt dem diamantbasierten Quanteninternet näher

Brain City Berlin

Was, wenn das Internet der Zukunft absolut abhörsicher wäre? Genau das verspricht das Quanteninternet, ein globales Netzwerk, das auf den Gesetzen der Quantenphysik basiert und Informationen so überträgt, dass sie grundsätzlich nicht abgefangen werden können. Forschende der Humboldt-Universität zu Berlin und des Ferdinand-Braun-Instituts in der Brain City Berlin haben jetzt einen wichtigen Schritt in diese Richtung gemacht.

Im heutigen Internet werden Daten als klassische Bits übertragen, also Einsen und Nullen. Im Quanteninternet übernehmen diese Rolle einzelne Lichtteilchen, sogenannte Photonen. Sie können Quanteninformationen tragen und dabei eine Eigenschaft namens Quantenverschränkung nutzen: Zwei verschränkte Teilchen beeinflussen sich gegenseitig, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Das macht die Übertragung nicht nur schneller, sondern auch grundsätzlich sicher vor Abhörversuchen. Eine solche Infrastruktur könnte künftig für Bereiche wie Medizin, Finanzen oder staatliche Kommunikation von entscheidender Bedeutung sein.

Die Herausforderung: einzelne Photonen kontrolliert erzeugen

Um das Quanteninternet Wirklichkeit werden zu lassen, braucht man zuverlässige Quellen für einzelne Photonen. Das klingt einfacher, als es ist. Bislang war es schwierig, die Steuersignale, also die Laserpulse, die das System anregen, sauber von den eigentlichen Informationsträgern, den emittierten Photonen, zu trennen. Herkömmliche Methoden benötigen dafür aufwändige Filtertechnik, die die Effizienz des Systems verringert.

Ein Forschungsteam um Prof. Dr. Tim Schröder an der HU Berlin hat nun gemeinsam mit Kolleg*innen der Technischen Universität Dortmund eine elegantere Lösung demonstriert: die Methode SUPER (Swing-UP of the quantum EmitteR population). Dabei regen zwei aufeinander abgestimmte Laserpulse im Femtosekundenbereich, das ist eine Billiardstel Sekunde, ein diamantbasiertes Quantensystem an. Das Ergebnis: Die Photonen lassen sich sauberer und effizienter erzeugen, ohne aufwändige Filterung. Die Studie wurde in der renommierten Fachzeitschrift Nature Communications veröffentlicht.

Warum Diamant?

Die Forschenden nutzen Diamantkristalle mit gezielt eingebrachten Defekten in ihrer Atomstruktur, sogenannte Zinn-Vakanz-Zentren. Diese winzigen Strukturen sind bemerkenswert stabil und eignen sich hervorragend als Quantenbits, also als kleinste Einheiten der Quanteninformation.

Doktorand Cem Güney Torun, einer der Erstautoren der Studie, erklärt: „Mit ultraschnellen Pulsen können wir den Quantenzustand auf völlig neuen Zeitskalen kontrollieren. Das eröffnet den Weg zu schnelleren und komplexeren Quantenoperationen auf Basis von Diamant." Sein Ko-Erstautor Mustafa Gökçe ergänzt: „Unsere Methode ermöglicht es uns, das System effizient anzuregen und gleichzeitig die emittierten Einzelphotonen sauber und nutzbar zu halten. Das ist eine zentrale Voraussetzung für den Aufbau von Netzwerken für die Quantenkommunikation."

Brain City Berlin als Standort für Quantenforschung

Die Studie ist ein Ergebnis der engen Zusammenarbeit zwischen der Arbeitsgruppe Integrated Quantum Photonics am Institut für Physik der HU Berlin und dem Joint Lab Diamond Nanophotonics am Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik, ebenfalls in Berlin. Dass beide Einrichtungen räumlich nah beieinander liegen und im Berliner Wissenschaftsnetzwerk eng vernetzt sind, ist kein Zufall: Die Brain City Berlin bietet mit ihren starken Universitäten, außeruniversitären Forschungseinrichtungen und gezielt geförderten Kooperationen genau die Bedingungen, unter denen solche Durchbrüche entstehen können. Das Quanteninternet ist noch Zukunftsmusik, aber in Berlin wird bereits intensiv daran gearbeitet, es Wirklichkeit werden zu lassen.

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