Die Welt der Quantentechnologien steht vor spannenden Entwicklungen, die das Potenzial haben, die Informationsverarbeitung grundlegend zu revolutionieren. Am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) arbeiten Forscher an innovativen Methoden zur Verbesserung von Spin-Qubits, die für Quantencomputing und andere Anwendungen entscheidend sind. Elektronen, die einen Eigendrehimpuls, den Spin, besitzen, agieren dabei als winzige Magneten und sind in der Lage, als Quantenbits in der Quanteninformationsverarbeitung zu fungieren. Diese Qubits können nicht nur die klassischen Zustände 0 und 1 annehmen, sondern auch Überlagerungen, die die Informationsdichte und Systemkomplexität erheblich steigern. Diese Vielseitigkeit macht Spin-Qubits besonders vielversprechend für zukünftige Anwendungen in der Quantenkommunikation, hochpräziser Sensorik und als Speichereinheiten in Quantencomputern, wie KIT berichtet.
Eine besondere Herausforderung ist das Design und die Kontrolle von Spin-Strukturen auf atomarer Ebene. Dazu zählt auch das zerstörungsfreie Auslesen von Informationen. In ihrer neuesten Publikation in Nature Communications präsentieren die Wissenschaftler des KIT eine neue Strategie zur Verbesserung der Lebensdauer und Steuerung molekularer Spin-Qubits. Diese Strategie beruht auf einer Doppelmagnetstruktur, die zwei Eisenatome in einem Molekül integriert. Ein Eisenatom ist dauerhaft in das Molekül eingebettet, während das andere gezielt angedockt wird, um eine präzise Interaktion zu ermöglichen. Diese Struktur schützt den restlichen Teil des Systems und verlängert die Lebensdauer des Spins um das Fünffache. Die Herstellung dieser komplexen Struktur erfolgt mithilfe der feinen Spitze eines Rastertunnelmikroskops. Es ist erwähnenswert, dass diese spezifische Anordnung in der Natur nicht vorkommt und zukünftige modulare Moleküle stabilere Einheiten für Quantentechnologien bilden könnten.
Potenzial für Quantenkommunikation und -sicherheit
Parallel zu diesen Entwicklungen im Bereich der Quanteninformationsverarbeitung arbeitet das Fraunhofer-Institut an der Nutzung von verschränkten Quanten zur Sicherstellung von Kommunikation und zur Verbesserung der Bildgebung. Dr. Erik Beckert hat eine Photonenquelle entwickelt, die beeindruckende 300.000 verschränkte Photonenpaare pro Sekunde produziert. Diese Zwillingsphotonen sind miteinander verbunden, sodass das Messen eines Photons den Zustand des anderen offenbart – eine Eigenschaft, die für die physikalische Verschlüsselung genutzt werden kann, um Hackerangriffe und Datenlecks zu verhindern. Beckert erläutert, dass zukünftige Quantenschlüssel via Satellit an Kommunikationspartner verteilt werden können. Bei einem Abhörversuch würde die Verschränkung erlöschen, wodurch der Eingriff nachweisbar wird.
Der erste europäische Quantenverschlüsselungssatellit soll im Jahr 2022 ins All starten, an dessen Entwicklung Beckert und sein Team beteiligt sind. Quantenverschlüsselung ist dabei besonders für die Finanzbranche, Telekommunikationsanbieter und Regierungsorganisationen von großem Interesse. In einer umfassenden Initiative, die Fraunhofer, Max-Planck und DLR involviert, wird das Projekt QuNET gestartet. Die Zielsetzung dieses Projekts besteht im Aufbau eines hochsicheren Kommunikationsnetzwerks zwischen Regierungsstandorten, mit dem langfristigen Ziel, quantenkryptographisch gesichertes Online-Banking zu ermöglichen.
Entwicklungen in der Quantenkommunikation
Zusätzlich arbeiten 17 Partner aus Europa im Projekt UNIQORN an der Schaffung von bezahlbarer Quantenkommunikation für den Massenmarkt. Am Fraunhofer HHI in Berlin werden miniaturisierte und quantentaugliche Komponenten entwickelt, die möglicherweise in Router integriert werden könnten. Hierbei wird auf die Reduzierung der Kosten für Quantenkommunikation um bis zu 90 Prozent abgezielt. Diese technologischen Fortschritte versprechen nicht nur die Sicherheit von Informationen, sondern revolutionieren auch die Art und Weise, wie wir globale Kommunikation verstehen.
Insgesamt stehen wir an einem Wendepunkt in der Forschung zu Quantenarchitekturen und deren praktischen Anwendungen. Spin-Qubits und Quantenkommunikation könnten die Grundlagen für eine neue Ära in der Informationsverarbeitung legen und gleichzeitig die Datensicherheit in einer zunehmend digitalisierten Welt gewährleisten.
