Mobile Qubits: Transport von Quanteninformation

Der Begriff "Mobile Qubits" bezeichnet quantenmechanische Informationsträger, die nicht stationär an einem festen Ort verbleiben, sondern kontrolliert durch ein physikalisches System bewegt werden. Während klassische Informationsverarbeitung in Computern über mobile Ladungsträger (Elektronen in Leitungen) erfolgt, sind mobile Qubits hochsensible Quantenzustände, deren Transport eine kohärente Erhaltung ihrer Superposition und gegebenenfalls Verschränkung mit anderen Qubits erfordert.

Formal kann man einen mobilen Qubit-Zustand mit einem Wellenpaket beschreiben, das sich durch den Raum ausbreitet. Allgemein lässt sich der Zustand als Superposition schreiben:

$|\psi(t)\rangle = \alpha(t) |0\rangle + \beta(t) |1\rangle,$

wobei die Amplituden $\alpha(t)$ und $\beta(t)$ zeit- und ortsabhängig sind.

Ein wesentliches Kennzeichen mobiler Qubits ist also, dass sie über Übertragungsstrecken wandern und ihre Quanteneigenschaften währenddessen beibehalten. Dies unterscheidet sie fundamental von stationären Qubits, die etwa in supraleitenden Schaltkreisen oder Ionenfallen immobil sind.

Abgrenzung zu stationären Qubits und fliegenden Qubits

Um mobile Qubits präzise einzuordnen, lohnt sich ein Vergleich mit anderen Kategorien von Qubits:

Stationäre Qubits befinden sich in einer ortsfesten Potentialmulde oder in einer festen Bindung, wie z. B. in supraleitenden Transmon-Qubits oder in Elektronenspins in Quantenpunkten. Sie dienen vor allem zur Speicherung und Verarbeitung lokaler Quanteninformation.
Fliegende Qubits sind dagegen in der Regel Photonen, die sich mit Lichtgeschwindigkeit fortbewegen und typischerweise zur Kommunikation eingesetzt werden, beispielsweise in der Glasfaser-Übertragung.
Mobile Qubits können sowohl Teilchen (z. B. Elektronen oder Ionen) als auch Photonen sein. Sie werden aber in einer kontrollierten Weise durch ein System transportiert, das oft langsamer als Lichtgeschwindigkeit ist. Ein Beispiel ist ein Elektron, das in einer Halbleiter-Nanostruktur über mehrere Mikrometer hinweg verschoben wird.

Diese Abgrenzung zeigt: Mobile Qubits bilden eine Brücke zwischen reinen Kommunikationsqubits und rein lokalen Speicherqubits. Sie ermöglichen den modularen Aufbau von Quantenarchitekturen, in denen Recheneinheiten flexibel miteinander verbunden werden.

Relevanz im Kontext moderner Quantenarchitekturen

Der Trend in der Quantentechnologie geht zu skalierbaren, modularen Architekturen. Stationäre Qubits sind dort für Verarbeitung und Zwischenspeicherung zuständig, während mobile Qubits als Bindeglied fungieren:

Sie verbinden logische Quantenregister über kontrollierte Transporte.
Sie ermöglichen das Verschieben von Zuständen ohne Umwandlung in Photonen.
Sie eröffnen neue Ansätze zur Fehlerkorrektur durch bewegliche Redundanzqubits.

Ein Beispiel: In segmentierten Ionenfallen können einzelne Ionen als mobile Qubits zwischen verschiedenen Speicher- und Verarbeitungszonen transportiert werden. Dies erlaubt es, physische Ressourcen dynamisch zuzuteilen und parallele Prozesse effizient zu synchronisieren.

Solche Architekturkonzepte sind Kernbestandteil der aktuellen Roadmaps führender Forschungszentren, wie etwa der Quantum Internet Alliance oder QuTech.

Historischer Hintergrund

Erste Konzepte der Übertragung von Quantenzuständen

Die Idee, Quantenzustände ortsunabhängig zu übertragen, geht auf die Anfänge der Quantenmechanik zurück. Bereits in den 1930er Jahren untersuchte Erwin Schrödinger die Ausbreitung von Wellenpaketen. Später folgte die Quantenoptik, die sich mit der Bewegung einzelner Photonen beschäftigte.

Einen entscheidenden Impuls setzte die theoretische Formulierung der Quanteninformation in den 1990er Jahren. Damals wurde erkannt, dass Quantenzustände nicht nur lokal manipuliert, sondern auch über größere Distanzen transportiert werden können – ohne ihre Superposition zu verlieren.

Insbesondere das Konzept der Quanten-Teleportation, erstmals 1993 von Bennett et al. vorgestellt, bildete einen Meilenstein:

$|\psi\rangle \xrightarrow{\text{Teleportation}} |\psi\rangle,$

wobei der ursprüngliche Zustand nicht physisch verschoben, sondern durch Verschränkung und klassische Kommunikation rekonstruiert wird.

Parallel wurden Experimente mit tatsächlich bewegten Materiewellen begonnen, etwa dem Transport einzelner Ionen in segmentierten Fallen.

Entwicklung der Quantenkommunikation und Teleportation

In den späten 1990er und frühen 2000er Jahren begannen Forschungsgruppen weltweit, mobile Qubits systematisch in der Quantenkommunikation einzusetzen.

Wichtige Etappen waren:

1997: Erste Experimente zur Übertragung von Verschränkung über Photonen über Distanzen von mehreren Kilometern (Anton Zeilinger, Universität Innsbruck).
2001–2004: Demonstration kontrollierter Bewegung einzelner Elektronen in Halbleiter-Quantentransistoren.
2015–2018: Fortschritte bei der Verbindung stationärer Qubits mit mobilen Photonen (Hybrid-Qubit-Architekturen).

Diese Entwicklungen bildeten die Grundlage für die Vision eines Quanteninternets, in dem mobile Qubits eine zentrale Rolle spielen.

Fortschritte in der Miniaturisierung und Skalierbarkeit

Parallel zur Grundlagenforschung kam es zu technologischen Durchbrüchen:

Fortschritte in der Nanofabrikation erlaubten die Konstruktion von Quantenpunkten und Transportkanälen mit atomarer Präzision.
Oberflächenakustische Wellen wurden genutzt, um Elektronen als mobile Qubits in definierten Potentialtrögen zu bewegen.
Photonische Chiparchitekturen integrierten Erzeugung, Manipulation und Transport von Lichtquanten auf wenigen Quadratzentimetern.

Heute arbeiten zahlreiche Institute an der Frage, wie mobile Qubits stabil, skalierbar und fehlerarm für reale Anwendungen eingesetzt werden können. In Kombination mit stationären Speicher- und Rechenelementen sollen sie die Grundlage künftiger Quantencomputer und Quantenkommunikationsnetze bilden.

Theoretische Grundlagen der mobilen Quanteninformation

Quantenzustände und deren Übertragung

Superposition und Kohärenz auf dem Transportweg

Das zentrale Merkmal jedes Qubits ist seine Fähigkeit, sich in einer kohärenten Superposition zu befinden:

$|\psi\rangle = \alpha |0\rangle + \beta |1\rangle,$

wobei $\alpha$ und $\beta$ komplexe Amplituden sind. Diese Kohärenz muss während des Transports unbedingt erhalten bleiben, da sonst der Vorteil quantenmechanischer Informationsverarbeitung verloren geht.

Im Falle mobiler Qubits bedeutet das konkret: Während ein Qubit bewegt wird – sei es ein Elektron in einem Nanokanal oder ein Photon in einer Glasfaser – darf keine messbare Wechselwirkung mit der Umgebung auftreten, die Information über den Zustand preisgibt.

Ein wichtiges Konzept ist die Transportkohärenz, also die Eigenschaft, dass die Phasenrelation $\Delta \phi$ zwischen den Komponenten |0⟩ und |1⟩ unverändert bleibt:

$\Delta \phi(t) = \arg(\beta(t)) - \arg(\alpha(t)) = \text{const}.$

Diese Bedingung stellt hohe Anforderungen an die Präzision der Transportprotokolle und die Isolation von Rauscheinflüssen.

Dekohärenzmechanismen während der Bewegung

Dekohärenz bezeichnet den schleichenden Verlust von Quanteneigenschaften durch unkontrollierte Wechselwirkung mit der Umgebung. Im Transport mobiler Qubits können unterschiedliche Mechanismen relevant sein:

Phonon-Streuung (z.B. bei Elektronen): Das Qubit koppelt an Gittervibrationen, wodurch Energie abgegeben oder aufgenommen wird.
Strukturelles Rauschen (Defekte, Fluktuationen im Potential): Führt zu zufälligen Phasenverschiebungen.
Strahlungsverluste (bei Photonen): Dämpfung oder Streuung im Übertragungsmedium.

Mathematisch beschreibt man den Dekohärenzprozess häufig durch eine Mastergleichung der Dichteoperatorentwicklung:

$\frac{d \rho}{dt} = -\frac{i}{\hbar} [H, \rho] + \mathcal{L}(\rho),$

wobei $\mathcal{L}(\rho)$ den dissipativen Teil beschreibt, der die Kohärenz zerstört.

Besondere Bedeutung hat die Transportzeit: Je länger das Qubit unterwegs ist, desto größer ist das Risiko, dass die Kohärenz schwindet. Deshalb setzen viele Architekturen auf ultraschnelle Transportprotokolle.

Notion der Quantenkanäle

Ein Quantenkanal beschreibt die mathematische Abbildung, mit der ein Quantenzustand von einem Sender zu einem Empfänger übertragen wird. Allgemein lässt sich ein Quantenkanal als eine komplett positive, spurtreue Abbildung formulieren:

$\mathcal{E}(\rho) = \sum_k E_k \rho E_k^\dagger,$

mit sogenannten Kraus-Operatoren $E_k$ .

Für mobile Qubits modelliert der Quantenkanal alle Prozesse, die beim Transport wirken – einschließlich Verluste, Dekohärenz und Störungen. Die Qualität eines Kanals wird häufig mit der Fidelity gemessen, die angibt, wie stark der ursprüngliche Zustand erhalten bleibt:

$F = \langle \psi | \mathcal{E}(|\psi\rangle\langle\psi|) | \psi \rangle.$

Hohe Fidelity ist entscheidend, um Quantenalgorithmen und Verschränkungsprotokolle fehlerarm zu realisieren. Die Konstruktion und Charakterisierung geeigneter Quantenkanäle gehört daher zu den Kernaufgaben der theoretischen Modellierung mobiler Qubits.

Modelle mobiler Qubits

Teilchenbasierte mobile Qubits (Elektronen, Photonen)

Mobile Qubits können unterschiedliche physikalische Natur haben:

Elektronen in Halbleitern werden in Potentialtrögen oder Wellenleitern gezielt verschoben. Sie tragen ihre Quanteninformation meist in ihrem Spin oder in Ladungszuständen.
Photonen propagieren in Glasfasern oder photonischen Chips. Ihr Zustand kann in Polarisation, Zeit-Bin oder Frequenz kodiert sein.

Für beide Systeme gibt es unterschiedliche Ansätze, den Transport theoretisch zu beschreiben. Bei Elektronen wird oft ein zeitabhängiger Potentialtopf modelliert, in dem das Teilchen gefangen ist:

$H(t) = \frac{p^2}{2m} + V(x,t).$

Bei Photonen basiert die Beschreibung auf der Lösung der Maxwell-Gleichungen in Wellenleitern oder Resonatoren.

Diese Modelle erlauben es, Effekte wie Modenkopplung, Streuung und Verlust detailliert zu simulieren.

Wellenpaket-Ausbreitung und Modenkopplung

Ein zentrales Konzept bei der Bewegung mobiler Qubits ist die Wellenpaket-Ausbreitung. Ein Elektron oder Photon wird dabei nicht als Punktteilchen, sondern als überlagerte Welle beschrieben.

Im einfachsten Fall stellt man ein Wellenpaket als Superposition ebener Wellen dar:

$|\psi(t)\rangle = \int dk, f(k) e^{i(kx - \omega t)}.$

Im Laufe der Zeit kann sich das Wellenpaket ausbreiten, was zu einer Verringerung der Überlappung mit dem Zielzustand führt. Dies wirkt sich negativ auf die Fidelity des Transports aus.

Zusätzlich kann die Kopplung zwischen verschiedenen Moden auftreten, wenn das Potential inhomogen ist oder das Übertragungsmedium Unordnung aufweist. Dieser Prozess wird als Modenkopplung bezeichnet und kann zu einer komplexen Dynamik führen.

Zur Vermeidung unerwünschter Modenkopplung werden präzise lithografierte Wellenleiter und optimierte Potentialprofile entwickelt.

Konzepte aus der Quantenfeldtheorie

Für die vollständig kohärente Beschreibung mobiler Qubits – insbesondere bei Photonen – nutzt man Methoden der Quantenfeldtheorie. Dort wird nicht nur der Zustand eines einzelnen Teilchens betrachtet, sondern ein Feldoperator $\hat{\Psi}(x,t)$ , der die Wahrscheinlichkeitsamplitude für das Auftreten eines Quants an einem Ort angibt:

$\hat{\Psi}(x,t) = \sum_k \hat{a}_k, \phi_k(x) e^{-i\omega_k t}.$

Diese Operatoren ermöglichen die Behandlung komplexer Prozesse wie Erzeugung, Annihilation und Wechselwirkung mit Materiesystemen (z.B. einem stationären Qubit oder einem Quantenpunkt).

Ein wichtiger Spezialfall ist das Input-Output-Formalismus, bei dem Ein- und Ausgangsmoden eines Systems mit Streumatrizen verknüpft werden. So lässt sich berechnen, wie ein mobiles Qubit durch einen quantenmechanischen Kanal propagiert.

Diese Feldtheoretischen Konzepte sind zentral, um die Kohärenz und Integrität mobiler Qubits in realen Systemen zu analysieren und zu optimieren.

Implementierungstechnologien

Photonenbasierte mobile Qubits

Erzeugung einzelner Photonenquellen

Photonen gehören zu den am weitesten verbreiteten Trägern mobiler Quanteninformation, da sie sich mit Lichtgeschwindigkeit bewegen und in vielen Materialien nur geringe Wechselwirkungen zeigen.

Die Erzeugung einzelner Photonen erfolgt heute meist über zwei Verfahren:

Spontane parametische Fluoreszenz (SPDC): Ein nichtlinearer Kristall wird mit einem starken Pump-Laser beleuchtet. Dabei spaltet sich ein Photon in zwei korrelierte Photonen niederer Energie auf (Signal und Idler). Die Zustandserzeugung lässt sich als Superposition schreiben: $|\psi\rangle = \sqrt{1 - \epsilon^2},|0\rangle + \epsilon,|1_s 1_i\rangle,$ wobei $\epsilon$ die Effizienz der Erzeugung charakterisiert.
Einzelphotonenemission aus Quantenpunkten oder Farbzentren: Hier wird ein quantisiertes Energieschema genutzt, um bei Anregung exakt ein Photon abzugeben. Ein bekanntes System ist der Stickstoff-Fehlstellenkomplex in Diamant (NV-Zentrum).

Diese Quellen werden durch Einkopplung in Wellenleiter oder Glasfasern direkt mit der Übertragungsstrecke gekoppelt.

Wellenleiter, Glasfasern und integrierte Photonik

Um Photonen über größere Distanzen zu transportieren, nutzt man optische Wellenleiterstrukturen. Diese können klassisch (Glasfaser) oder in Form integrierter photonischer Chips realisiert sein.

Glasfasern bieten für Telekom-Wellenlängen (etwa 1550 nm) eine sehr geringe Dämpfung von rund 0,2 dB/km. Die Dämpfung kann mathematisch durch ein Exponentialgesetz beschrieben werden:

$P(z) = P_0 \cdot e^{-\alpha z},$

wobei $\alpha$ der Dämpfungskoeffizient ist.

Integrierte Photonik (Silizium-Photonik oder Siliziumnitrid-Chips) ermöglicht die Miniaturisierung kompletter Übertragungs- und Manipulationseinheiten auf wenige Millimeter. Dort werden Photonen durch lithografisch gefertigte Wellenleiterkanäle geleitet.

Solche Strukturen erlauben zudem die Integration von Filtern, Phasenschiebern und Interferometern, was den Aufbau komplexer Quantennetzwerke direkt auf Chipbasis ermöglicht.

Vorteile: Geschwindigkeit und geringe Verluste

Photonenbasierte mobile Qubits bieten mehrere herausragende Vorteile:

Hohe Geschwindigkeit: Transport mit nahezu Lichtgeschwindigkeit, ideal für Kommunikation.
Geringe Kopplung an Umgebung: Kaum Wechselwirkungen mit thermischen Fluktuationen.
Kompatibilität mit vorhandener Glasfaserinfrastruktur: Gute Einbindung in klassische Netze.

Diese Eigenschaften erklären, warum photonische mobile Qubits als Rückgrat geplanter Quanteninternet-Architekturen gelten.

Mobile Elektronen-Qubits

Oberflächenakustische Wellen (SAW) zur Elektronentransportierung

Ein faszinierender Ansatz zum Transport einzelner Elektronen-Qubits basiert auf Oberflächenakustischen Wellen (Surface Acoustic Waves, SAW). Dabei wird eine akustische Welle auf der Oberfläche eines Halbleiters erzeugt, die ein dynamisches Potential bildet, in dem ein Elektron gefangen bleibt.

Das Potential lässt sich idealisiert als harmonische Mulde beschreiben, die mit Geschwindigkeit $v$ über die Oberfläche wandert:

$V(x,t) = V_0 \cdot \exp\left(-\frac{(x - vt)^2}{2\sigma^2}\right).$

Das gefangene Elektron bewegt sich damit synchron zur Welle. Experimente haben gezeigt, dass Elektronen über mehrere Mikrometer kohärent transportiert werden können.

Elektronentransport in Halbleiter-Nanostrukturen

Auch ohne akustische Wellen lässt sich Elektronenbewegung in Nanostrukturen präzise steuern. Beispiele:

Quantendrähte: Schmale Potentialkanäle leiten Elektronen durch elektro-statische Felder.
Schiebefallen: Elektronen werden in elektrisch definierte Taschen geladen und durch sukzessives Anpassen der Potentiale bewegt.

In solchen Systemen wird die Quanteninformation meist im Elektronenspin gespeichert, der beim Transport möglichst wenig mit dem umgebenden Gitter koppeln darf.

Zentrale Herausforderung ist die Minimierung der Spin-Dekohärenz, die oft durch Magnetfeldfluktuationen oder Hyperfeinwechselwirkung mit Atomkernen verursacht wird.

Herausforderungen: Ladungsrauschen und Streuverluste

Der Elektronentransport leidet naturgemäß stärker unter Umwelteinflüssen als der Photonentransport:

Ladungsrauschen: Fluktuierende elektrische Felder wirken als zufällige Potentialvariationen.
Streuung an Defekten: Kristallunreinheiten oder Rauigkeiten führen zu Energieverlust und Phasenrauschen.
Thermisches Rauschen: Erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass das Elektron aus dem Potentialtopf entweicht.

Diese Faktoren limitieren die Länge und Zuverlässigkeit des Transports. Deshalb werden Experimente oft bei tiefen Temperaturen (<100 mK) durchgeführt und stark abgeschirmte Umgebungen genutzt.

Hybrid-Ansätze

Kopplung stationärer Qubits mit mobilen Übertragungsmedien

Ein besonders innovativer Ansatz ist die Hybridisierung stationärer und mobiler Qubits. Ziel ist es, die Stärken beider Welten zu verbinden:

Stationäre Qubits: Lange Speicherdauer, gute lokale Kontrolle.
Mobile Qubits: Effizienter Transport.

Typisch wird ein stationäres Qubit (z. B. ein NV-Zentrum) mit einem photonischen Kanal gekoppelt, um Verschränkung zwischen entfernten Qubits zu erzeugen.

Solche Kopplungen erfolgen meist über Resonatorstrukturen, die den Übergang zwischen Materie- und Lichtquanten vermitteln.

Konvertierung zwischen Photonen- und Materie-Qubits

Die Konversion eines mobilen Photons in ein stationäres Materie-Qubit ist für viele Architekturen entscheidend. Ein Beispiel:

Ein Photon trifft auf ein Quantenpunkt-System, das genau eine Übergangsfrequenz hat. Bei Resonanz wird die Photoneninformation in den elektronischen Zustand übertragen:

$|0\rangle_{\text{photon}} \otimes |g\rangle_{\text{dot}} \quad \xrightarrow{\text{Kopplung}} \quad |0\rangle_{\text{photon}} \otimes |e\rangle_{\text{dot}}.$

Analog lassen sich gespeicherte Zustände durch Emission wieder als mobile Photonen auskoppeln.

Solche Schnittstellen sind essenziell für Quantenrepeater und modulare Quantencomputer.

Quantenrouter und Multiplexer

Komplexe Netzwerke benötigen darüber hinaus Quantenrouter und Multiplexer, die mobile Qubits gezielt zu bestimmten Empfängern leiten.

Dabei wird der Übertragungsweg abhängig vom Zustand eines Steuer-Qubits ausgewählt, was zu sogenannten kontrollierten Routing-Protokollen führt:

$|c\rangle_{\text{control}} \otimes |d\rangle_{\text{data}} \quad \xrightarrow{\text{Router}} \quad |c\rangle_{\text{control}} \otimes |d\rangle_{\text{output}(c)}.$

Solche Geräte gelten als unverzichtbar für die Skalierung zu großen Quantenkommunikationsnetzwerken.

Steuerung und Manipulation mobiler Qubits

Präzise Kontrolle der Transportpfade

Dynamische Potentiallandschaften

Die präzise Steuerung des Weges, den ein mobiles Qubit nimmt, ist eine Grundvoraussetzung für hohe Übertragungsfidelity. Ein zentrales Werkzeug sind dynamisch modulierbare Potentiallandschaften, die durch elektrische oder magnetische Felder erzeugt werden.

Ein bekanntes Beispiel ist die Verschiebung eines Elektrons in einer Halbleiterstruktur durch schrittweise Variation der Gate-Spannungen. Mathematisch lässt sich das Potential als zeitabhängige Funktion schreiben:

$V(x,t) = V_{\text{static}}(x) + V_{\text{control}}(x,t),$

wobei $V_{\text{control}}(x,t)$ die dynamische Komponente darstellt, die den Elektronenkäfig bewegt.

Solche Verfahren erfordern eine hochpräzise Abstimmung der Signale, um unkontrollierte Anregungen oder Tunneln zu vermeiden.

Optische Fangtechniken und Transport durch Lichtfelder

Für neutrale Atome oder Ionen werden oft optische Pinzetten eingesetzt. Dabei erzeugen fokussierte Laserstrahlen Potentialmulden, in denen ein einzelnes Atom gefangen bleibt.

Wird der Fokus des Laserstrahls verschoben, folgt das Atom der Bewegung. Dieses Prinzip nennt man "optical tweezer transport".

Die Potentielle Energie eines Atoms in einem Lichtfeld kann vereinfacht geschrieben werden als:

$U(x) = -\frac{1}{2},\alpha,|E(x)|^2,$

wobei $\alpha$ die Polarisierbarkeit und $E(x)$ die elektrische Feldstärke des Lasers ist.

Fortschritte in der Lasersteuerung erlauben heute Transportgeschwindigkeiten von mehreren mm/s bei gleichzeitig extrem hoher Positionierungsgenauigkeit (unter 10 nm).

Nanoskalige elektromagnetische Fallen

Eine weitere Möglichkeit bieten nanoskalige elektromagnetische Fallen, die in supraleitenden oder atomaren Systemen zum Einsatz kommen.

Beispiele:

Mikrostrukturierte Spulen erzeugen magnetische Gradienten zur Führung von Spin-Zuständen.
Supraleitende Schaltungen formen Potentiallandschaften für Mikrowellen-Photonen.

In diesen Systemen wird der Transportpfad durch präzise Strom- oder Spannungssteuerung konfiguriert. Solche Techniken sind besonders vielversprechend für modulare Quantencomputer, bei denen mobile Qubits flexibel zwischen Speicher- und Verarbeitungseinheiten verschoben werden müssen.

Fehlerquellen und Stabilisierung

Streuverluste

Eine der größten Herausforderungen beim Transport mobiler Qubits sind Streuverluste, also unkontrollierte Wechselwirkungen mit Defekten, Fremdatomen oder Fluktuationen der Materialeigenschaften.

Beispielsweise kann ein Photon beim Durchlaufen eines Wellenleiters an Unregelmäßigkeiten gestreut werden, was zu einem Verlust des Quantenzustands führt. Die Wahrscheinlichkeit $P_s$ einer Streuung wächst typischerweise linear mit der Länge $L$ :

$P_s = \gamma \cdot L,$

wobei $\gamma$ der Streuverlustkoeffizient ist.

Zur Minimierung werden ultrareine Materialien, perfekte Lithografie und niedrige Temperaturen eingesetzt.

Phasenrauschen

Auch Phasenrauschen ist ein entscheidender Fehlermechanismus. Dabei verändert sich die relative Phase eines Superpositionszustands unkontrolliert während des Transports.

Dieses Phasenrauschen kann mathematisch als zufälliger Prozess $\delta\phi(t)$ modelliert werden, der in die Wellenfunktion eingeht:

$|\psi(t)\rangle = \alpha,|0\rangle + \beta, e^{i \delta\phi(t)} |1\rangle.$

Langsame Drift kann durch Kalibrierung kompensiert werden, während schnelle Fluktuationen nur durch aktive Feedback-Mechanismen oder Fehlertoleranztechniken zu kontrollieren sind.

Thermische Fluktuationen und Abschirmung

Thermische Fluktuationen stellen insbesondere für mobile Elektronen-Qubits ein Problem dar, da sie den Transport durch Anregung in höhere Energiezustände oder durch Verstärkung des Ladungsrauschens stören können.

Deshalb werden Experimente mit mobilen Qubits oft in Kryostaten bei Temperaturen <100 mK durchgeführt, kombiniert mit:

Elektromagnetischer Abschirmung (μ-Metallkammern)
Vibrationsdämpfung
Ultrahohen Vakuumbedingungen

Zusätzlich werden aktive Stabilisierungsmechanismen implementiert, bei denen Zustandsvergleiche (z. B. Interferometrie) als Referenz dienen, um Abweichungen zu kompensieren.

Insgesamt zeigt sich, dass präzise Kontrolle, fehlerresistente Protokolle und geeignete Abschirmung unverzichtbar für die zuverlässige Manipulation mobiler Qubits sind.

Anwendungen mobiler Qubits

Quantenkommunikationsnetzwerke

Mobile Qubits als Informationsträger zwischen Knotenpunkten

Eine der prominentesten Anwendungen mobiler Qubits ist die Quantenkommunikation. In Netzwerken verbinden sie entfernte Knotenpunkte, etwa zwei Quantenprozessoren oder einen Sender und einen Empfänger.

Die Aufgabe mobiler Qubits besteht darin, Quanteninformation verlust- und dekohärenzarm zu übertragen. Typischerweise werden dafür Photonen genutzt, die über Glasfasern oder Freiraumstrecken propagieren.

Ein schematischer Ablauf der Übertragung lässt sich in drei Schritte gliedern:

Erzeugung eines mobilen Qubits im gewünschten Quantenzustand.
Transport durch den Quantenkanal (z. B. Glasfaser).
Empfang und gegebenenfalls Speicherung oder Weiterverarbeitung durch ein stationäres Qubit.

Mathematisch modelliert man den Vorgang als Transformation des Eingangs-Zustands $\rho_{\text{in}}$ durch einen Kanal $\mathcal{E}$ :

$\rho_{\text{out}} = \mathcal{E}(\rho_{\text{in}}).$

Die Herausforderung besteht darin, dass Verluste exponentiell mit der Entfernung wachsen, was zu einer begrenzten Reichweite führt.

Quanten-Repeatersysteme

Um diese Reichweitenbeschränkung zu überwinden, wurden Quanten-Repeater entwickelt. Diese Geräte kombinieren mobile Qubits, stationäre Speicher und Verschränkungsprotokolle, um große Distanzen zu überbrücken.

Das Grundprinzip beruht auf einer Kette von Zwischenknoten, in denen Verschränkung über kurze Abschnitte erzeugt und dann „verlängert“ wird (Entanglement Swapping).

Ein vereinfachter Ablauf:

Erzeugung von Verschränkung zwischen Knoten A–B und B–C.
Messung am mittleren Knoten B.
Kollaps des Gesamtsystems in einen verschränkten Zustand A–C.

Formal kann man dies als Projektion auf Bell-Zustände ausdrücken:

$|\Phi^+\rangle_{AB} \otimes |\Phi^+\rangle_{BC} \quad \xrightarrow{\text{Bell-Messung an B}} \quad |\Phi^+\rangle_{AC}.$

Mobile Qubits sind hier essenziell, da sie die Verschränkung zwischen Knoten transportieren.

Sicherer Schlüsselaustausch (Quantum Key Distribution)

Eine weitere wichtige Anwendung ist die Quantum Key Distribution (QKD), bei der mobile Qubits zur Erzeugung eines kryptografischen Schlüssels dienen.

Bekanntestes Protokoll: BB84, bei dem ein Sender (Alice) zufällige Qubitzustände (z. B. Polarisationszustände von Photonen) an den Empfänger (Bob) sendet. Jede Messung liefert ein Bit des Schlüssels.

Die Sicherheit ergibt sich daraus, dass jeder Abhörversuch zwingend Spuren hinterlässt, da Quantenzustände beim Messen kollabieren.

Die Übertragung der Qubits geschieht fast ausschließlich über mobile photonische Systeme, die über Glasfaser oder Satellitenlink transportiert werden.

Quantencomputer-Architekturen

Skalierbarkeit durch mobile Verbindungskanäle

In großen Quantencomputern spielen mobile Qubits eine Schlüsselrolle, um unterschiedliche Module zu koppeln.

Beispiele:

Verbindung separater supraleitender Register über photonische Busse.
Transport von Ionen zwischen Speicher- und Rechenzonen.
Dynamische Re-Konfiguration des Prozessors durch mobile Verbindungen.

Der Vorteil: Ressourcen können effizient verteilt und Verschränkungen gezielt aufgebaut werden. So lassen sich Hardware-Limitationen lokaler Interaktionen überwinden.

Modularer Aufbau großer Quantenprozessoren

Modularisierung ist eine Kernstrategie zur Skalierung auf tausende oder Millionen Qubits. Ein Modul enthält eine begrenzte Zahl stationärer Qubits, die lokal operieren, während mobile Qubits Zustände zwischen Modulen vermitteln.

Das Architekturmodell kann grob so beschrieben werden:

Stationäre Cluster = Verarbeitungseinheiten.
Mobile Qubits = Kommunikationskanäle.

Die Modularisierung erlaubt es, Bausteine unabhängig zu optimieren und zu fertigen.

Beispiel: Ionentransport in Segmentfallen

Ein besonders anschauliches Beispiel ist der Ionentransport in Segmentfallen. Dort werden Ionen in einer linearen Falle gespeichert. Durch schrittweises Umschalten elektrischer Potentiale werden einzelne Ionen verschoben, während andere stationär bleiben.

Mathematisch beschreibt man die Bewegung über ein zeitabhängiges Potential:

$V(x,t) = V_{\text{trap}}(x) + V_{\text{transport}}(x,t).$

Dieser Transport erlaubt es, gezielt Rechenoperationen mit einer Teilmenge der Ionen auszuführen und sie danach wieder in das Speicherregister zurückzuführen.

Die Technik gilt als einer der erfolgversprechendsten Ansätze für skalierbare Quantencomputer.

Quantensensorik und Metrologie

Mobile Qubits in Interferometern

Mobile Qubits kommen auch in der Präzisionsmessung zum Einsatz. In Interferometern werden sie aufgeteilt, durchlaufen unterschiedliche Wege und interferieren anschließend.

Ein Beispiel ist das Mach-Zehnder-Interferometer, in dem Photonen als mobile Qubits genutzt werden. Die Intensität am Ausgang hängt von der relativen Phasenverschiebung ab:

$I = I_0 \cdot \cos^2\left(\frac{\Delta\phi}{2}\right).$

Solche Systeme erreichen extrem hohe Empfindlichkeiten gegenüber äußeren Einflüssen wie Magnetfeldern oder Gravitation.

Transportierte Superpositionen für präzise Messungen

Ein weiterer Ansatz besteht darin, mobile Qubits gezielt in Superpositionen zu versetzen und sie während des Transports einer zu messenden Größe auszusetzen.

Beispiel: Ein Atom in einer Superposition aus zwei hyperfeinen Zuständen wird bewegt und akkumuliert dabei eine Phasenverschiebung, die Rückschlüsse auf das externe Feld erlaubt.

Dieser Ansatz bildet die Grundlage für neuartige Sensoren mit bisher unerreichter Präzision.

Anwendungen in der Gravitationswellendetektion

Auch in der Gravitationswellendetektion wird an mobilen Qubits geforscht. Konzeptionelle Studien zeigen, dass interferometrische Anordnungen mit mobilen Quantenobjekten (z. B. Ultrakalten Atomen) die Empfindlichkeit gegenüber Raumzeitkrümmung weiter steigern können.

Ein mögliches Schema:

Aufteilung eines Atomstrahls in zwei Arme.
Transport der Atome über Distanzen von mehreren Metern.
Wiedervereinigung und Messung der Interferenz.

Die sich daraus ergebende Phasendifferenz enthält Information über Gravitationswellen. Solche Quanteninterferometer könnten in Zukunft Laser-Interferometer wie LIGO ergänzen oder verbessern.

Forschungsperspektiven und aktuelle Entwicklungen

Internationale Forschungsprojekte

EU Quantum Flagship

Das EU Quantum Flagship ist eines der größten Forschungsprogramme im Bereich Quantentechnologien weltweit. Mit einem Fördervolumen von über 1 Milliarde Euro über zehn Jahre verfolgt das Programm das Ziel, Europa zu einem führenden Standort für Quanteninnovationen zu machen.

Ein Kernbereich betrifft die Entwicklung mobiler Qubits und ihrer Anwendungen in Kommunikation und Computerarchitekturen. Unter anderem werden gefördert:

Skalierbare photonische Plattformen für Quantenkommunikationsnetzwerke
Hybrid-Ansätze, die stationäre Speicher mit mobilen Verbindungen koppeln
Neue Protokolle für Quantenrepeater und sichere Datenübertragung

Wichtige Partner sind etwa die Universität Innsbruck, das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Präzisionstechnik und QuTech in Delft.

Quantum Internet Alliance

Die Quantum Internet Alliance (QIA) ist ein europaweites Konsortium, das sich konkret der Realisierung eines funktionierenden Quanteninternets widmet.

Das Vorhaben umfasst:

Entwicklung skalierbarer Quantenknoten mit Speichern und mobilen Übertragungswegen
Integration mobiler photonischer Qubits in bestehende Telekommunikationsnetze
Prototypen für Langstrecken-Quantenkommunikation (>100 km)

Die Vision ist ein Netzwerk, in dem Quanteninformation sicher und verlustarm zwischen Computern, Sensoren und Nutzern übertragen werden kann. Mobile Qubits bilden dafür das Rückgrat der Infrastruktur.

National Quantum Initiative (USA)

Die National Quantum Initiative (NQI) der USA wurde 2018 ins Leben gerufen, um die Wettbewerbsfähigkeit im Bereich Quantentechnologien zu sichern.

Mobile Qubits sind hier ebenfalls ein strategischer Schwerpunkt, etwa in Projekten zur photonischen Quantenkommunikation und zu mobilen Elektronen-Qubits in Halbleiterarchitekturen.

Gefördert werden:

Forschung an supraleitenden Kopplungsmechanismen
Quantenrouter und Multiplexer für modulare Netzwerke
Entwicklung hochkohärenter Übertragungsprotokolle

Zentrale Akteure sind das MIT Center for Quantum Engineering, das National Institute of Standards and Technology (NIST) und verschiedene Industriepartner wie IBM Quantum.

Technologische Durchbrüche

Fortschritte in supraleitender Photonenspeicherung

Ein entscheidender Fortschritt der letzten Jahre ist die supraleitende Speicherung einzelner Photonen. Dabei werden Mikrowellenphotonen in supraleitenden Resonatoren gespeichert, die eine extrem geringe Verlustrate haben.

Die Speicherzeit lässt sich über die Q-Faktor-Formel abschätzen:

$\tau = \frac{Q}{\pi f},$

wobei $Q$ der Qualitätsfaktor und $f$ die Frequenz ist.

Moderne supraleitende Resonatoren erreichen Q-Faktoren über 10 Millionen, was Speicherzeiten im Millisekundenbereich ermöglicht – ein riesiger Fortschritt für den Einsatz mobiler Qubits als Zwischenspeicher in Quantenrepeatern.

Hochkohärente mobile Elektronensysteme

Auch bei Elektronen-Qubits gab es erhebliche Fortschritte. Forscherteams konnten den Spin-Kohärenzerhalt während des Transports in Halbleiterstrukturen verbessern.

Methoden:

Optimierung der Kristallreinheit (weniger Hyperfeininteraktion)
Elektrische Dynamik-Decoupling-Sequenzen
Bessere Feldhomogenität durch präzisere Lithografie

So konnte die Kohärenzzeit von Elektronenspins in mobilen Systemen auf über 100 Mikrosekunden gesteigert werden. Damit rücken mobile Elektronen-Qubits als Transportmedium in skalierbaren Quantenprozessoren in den Bereich praktischer Anwendbarkeit.

Integration in bestehende Glasfasernetze

Ein weiterer Durchbruch ist die erfolgreiche Integration photonischer mobiler Qubits in kommerzielle Glasfaserinfrastruktur.

Projekte in den Niederlanden, China und den USA zeigten, dass bestehende Glasfasernetze mit nur moderaten Modifikationen zur Quantenkommunikation genutzt werden können.

Dabei werden:

Wellenlängenmultiplexing (C-Band)
Verschränkte Photonenpaare
Quantenrepeater-Knoten

kombiniert, um Quantenkanäle parallel zu klassischen Datenkanälen zu betreiben.

Das eröffnet enormes Potenzial für die schnelle Ausrollung eines Quanteninternets auf Basis vorhandener Infrastruktur.

Ausblick

Vision des globalen Quanteninternets

Langfristig wird ein globales Quanteninternet angestrebt, in dem mobile Qubits als Träger quantensicherer Information fungieren.

Solche Netze ermöglichen:

Unabhängige Synchronisierung weit entfernter Quantencomputer
Verteilte Quantensensorik
Sicheren Schlüsselaustausch ohne die Möglichkeit unbemerkten Abhörens

Ein globales Quanteninternet könnte ähnlich revolutionär wirken wie das klassische Internet für die digitale Kommunikation.

Potenzial für disruptive Innovationen in Kommunikation, Kryptographie und Rechenleistung

Mobile Qubits sind der Schlüssel für disruptive Anwendungen:

Kommunikation: Sofortige, abhörsichere Netzwerke.
Kryptographie: Quantenbasierte Sicherheitssysteme, die klassische Verschlüsselung ablösen.
Rechenleistung: Zusammenschaltung modularer Quantencomputer zu leistungsfähigen Verbundsystemen.

Alle diese Bereiche basieren auf der Fähigkeit, Quantenzustände verlustarm und kohärent zu transportieren – eine Aufgabe, bei der mobile Qubits unersetzlich sind.

Wichtige Akteure und Institutionen

Forschungsgruppen

Delft University of Technology (QuTech)

Das QuTech an der Delft University of Technology (TU Delft) in den Niederlanden ist eines der führenden Zentren für Forschung an mobilen Qubits und dem Quanteninternet.

Zentrale Schwerpunkte:

Entwicklung photonischer mobiler Qubits für Langstreckenkommunikation
Hybrid-Architekturen, die stationäre Qubits (NV-Zentren, supraleitende Qubits) mit mobilen Photonen koppeln
Implementierung von Quantenrepeatern und Routingprotokollen

QuTech koordiniert federführend die Quantum Internet Alliance, die die technologische Grundlage für ein europäisches Quanteninternet schaffen soll.

Einige der bahnbrechenden Experimente zur Teleportation über große Distanzen wurden hier durchgeführt, insbesondere durch die Arbeitsgruppe von Ronald Hanson.

MIT Center for Quantum Engineering

Das MIT Center for Quantum Engineering (CQE) in Cambridge, USA, bündelt die Expertise in Theorie, Materialwissenschaften und Technologieentwicklung.

Relevante Forschungsrichtungen im Kontext mobiler Qubits:

Supraleitende photonische Speichersysteme
Quantenrouter und photonische Multiplexer
Integration mobiler Qubits in modulare Rechenarchitekturen

Das CQE arbeitet eng mit der National Quantum Initiative zusammen und ist ein wichtiger Innovationstreiber für Anwendungen in Quantenkommunikation und Quantencomputernetzwerken.

Max-Planck-Institut für Quantenoptik

Das Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) in Garching bei München zählt zu den renommiertesten Einrichtungen weltweit im Bereich Quantenoptik und photonischer Quantentechnologien.

Forschungsbereiche mit Bezug zu mobilen Qubits:

Erzeugung und Manipulation einzelner Photonen
Interferometrie mit mobilen Quantenobjekten
Entwicklung neuer Plattformen für Quantenkommunikation

Unter Leitung von Prof. Gerhard Rempe und anderen wurden wegweisende Experimente zu Verschränkung, photonischen Speichern und Teleportation realisiert.

Unternehmen

IBM Quantum

IBM Quantum ist Vorreiter bei der Kommerzialisierung von Quantencomputing-Plattformen.

Relevante Aktivitäten:

Entwicklung skalierbarer supraleitender Qubit-Architekturen
Erforschung photonischer Verbindungen zwischen Quantenprozessoren
Strategien für modulare Quantencomputer, in denen mobile Qubits zentrale Kommunikationsaufgaben übernehmen

IBM betreibt eines der größten öffentlich zugänglichen Quantencomputer-Ökosysteme und arbeitet an der Integration mobiler Übertragungskanäle in seine Infrastruktur.

Xanadu

Das kanadische Start-up Xanadu fokussiert sich auf photonic quantum computing.

Innovationen im Bereich mobiler Qubits:

Erzeugung hochkohärenter einzelner Photonen in integrierten Chips
Entwicklung photonischer Prozessoren, die Mobilität und Verarbeitung vereinen
Optimierung verlustarmer Übertragung in Siliziumnitrid-Wellenleitern

Xanadu verfolgt das Ziel, ein vollständig photonisches Quantencomputing-Modell zu realisieren, bei dem mobile Qubits die Basis sämtlicher Operationen bilden.

ID Quantique

Das Schweizer Unternehmen ID Quantique ist Marktführer bei Quantenverschlüsselung.

Mobile Qubits stehen hier im Zentrum:

Kommerzielle Systeme für Quantum Key Distribution (QKD) über Glasfaser
Entwicklung von photonischen Quellen für mobile Qubits
Integration quantensicherer Kommunikation in klassische Netzwerke

ID Quantique war eines der ersten Unternehmen, das praxistaugliche Anwendungen der Quantenkommunikation vermarktete.

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler

Prof. Stephanie Wehner (Quantum Internet)

Prof. Stephanie Wehner leitet am QuTech die Forschung zu Protokollen und Architekturen für das Quanteninternet.

Beiträge:

Theoretische Grundlagen für Quantenkommunikationsnetzwerke
Entwurf von Repeater- und Routerstrukturen für mobile Qubits
Standardisierung von Netzwerkprotokollen

Sie gilt als eine der prägendsten Persönlichkeiten in der Entwicklung der globalen Quanteninternet-Vision.

Prof. Ronald Hanson (Quantenkommunikation)

Prof. Ronald Hanson ist ebenfalls an QuTech tätig und weltweit bekannt für seine Experimente zur Quantenverschränkung über große Distanzen.

Seine Arbeitsgruppe hat realisiert:

Teleportation von Qubits zwischen Diamant-NV-Zentren
Verschränkung über 1,3 Kilometer Glasfaser
Prototypische Knoten für ein Quanteninternet auf Basis mobiler Photonen

Diese Pionierarbeiten gelten als Meilensteine der Quantenkommunikationsforschung.

Prof. Harald Weinfurter (Photonische Qubits)

Prof. Harald Weinfurter forscht an der LMU München im Bereich der Quantenoptik.

Seine Beiträge:

Erzeugung und Charakterisierung verschränkter Photonenpaare
Experimente zur Quantenkryptografie und Teleportation
Optimierung verlustarmer Übertragungswege für photonische mobile Qubits

Er zählt zu den führenden europäischen Köpfen bei der Umsetzung praktischer Anwendungen photonischer mobiler Qubits.

Fazit

Zusammenfassung der Bedeutung mobiler Qubits

Mobile Qubits verkörpern eine Schlüsseltechnologie in der modernen Quantentechnologie. Sie ermöglichen es, Quantenzustände kontrolliert durch Raum und Zeit zu transportieren, ohne ihre fundamentalen Eigenschaften – Superposition und Verschränkung – einzubüßen.

Ihre zentrale Funktion liegt in der Vermittlung zwischen lokal operierenden, stationären Qubits und global vernetzten Quantenarchitekturen. Während stationäre Qubits vor allem für Verarbeitung und Speicherung optimiert sind, übernehmen mobile Qubits Aufgaben wie:

Übertragung von Informationen zwischen Prozessormodulen,
Verteilung von Verschränkungsressourcen,
Aufbau sicherer Kommunikationsstrecken.

Ob als einzelne Photonen in Glasfasern, Elektronen in Halbleitern oder ultrakalte Atome in optischen Gittern – mobile Qubits sind heute bereits das Rückgrat von Quantenkommunikationssystemen und ein Katalysator für skalierbare Quantencomputer.

Einordnung in den Kontext der Quantenwissenschaft

In der Geschichte der Quantenwissenschaft markieren mobile Qubits den Übergang von isolierten Experimenten zu vernetzten Systemen. Sie sind die Grundlage für:

Quanteninternet-Konzepte,
verteilte Quantencomputer,
globale Netzwerke zur Synchronisation von Quantenressourcen.

Ihre Entwicklung bündelt interdisziplinäre Kompetenzen:

Quantenoptik (Photonen als mobile Qubits),
Festkörperphysik (Elektronen-Transport in Nanostrukturen),
Quanteninformationswissenschaft (Protokolle und Fehlerkorrektur),
Materialwissenschaft und Ingenieurwesen (hochpräzise Plattformen).

Mit dieser Verflechtung hat das Feld einen neuartigen Technologiebereich geschaffen, der von Grundlagenphysik bis zur industriellen Anwendung reicht.

Perspektive für künftige Forschung und Anwendungen

Der Ausblick für mobile Qubits ist ebenso ambitioniert wie spannend. Zentrale Perspektiven:

Globale Quantenkommunikationsnetzwerke: Ein Quanteninternet, das Kontinente verbindet, basiert auf mobilen Qubits als Träger quantensicherer Information.
Modulare Quantencomputer: Skalierbare Architekturen erfordern effiziente mobile Qubits, um Rechen- und Speicherblöcke flexibel zu verknüpfen.
Quantensensorik: Mobile Qubits in Interferometern und Präzisionsmesssystemen werden die Empfindlichkeit weit über klassische Grenzen hinaus verschieben.

Parallel schreiten technologische Durchbrüche in der supraleitenden Photonenspeicherung, in hybriden Konvertierungssystemen und in der Integration mit Glasfasernetzen voran.

Es ist absehbar, dass mobile Qubits in den kommenden Jahren von einer spezialisierten Nischentechnologie zu einer Schlüsselkomponente einer globalen Infrastruktur werden, die Kommunikation, Kryptografie und Rechenleistung fundamental transformiert.

Mit freundlichen Grüßen Jörg-Owe Schneppat

Anhang

Vertiefte Übersicht der Institute, Forschungszentren, Unternehmen und führenden Persönlichkeiten

Institute & Forschungszentren

Delft University of Technology – QuTech

Rolle: Europäisches Spitzenzentrum für Quanteninternet, mobile photonische Qubits und hybride Schnittstellen. Schwerpunkte:

Entwicklung modularer Quantenknoten, die stationäre Qubits (z. B. NV-Zentren) mit mobilen Photonen verbinden
Prototypische Realisierung von Quantenrepeatern
Grundlagen und Protokolle für Quantenkommunikationsnetzwerke

Relevante Projekte: