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Erstmals klassisches Objekt teleportiert

Foto: Sedlacek
Teleportation. Foto: Sedlacek

Star Trek-Vision wird Wirklichkeit

(idw) „Beam me up, Scotty“, auch wenn Captain Kirk diesen Satz so nie gesagt haben soll, hält er sich als geflügeltes Wort bis heute. Wann immer der Chef des TV-Serien-Raumschiffs Enterprise zurück in seine Steuerzentrale wollte, genügte dieses Kommando und im selben Augenblick schon war er dort – ohne Zeitverlust durch die unendlichen Weiten des Weltraums.

Alles Science Fiction, erdacht in den 60er Jahren des vergangenen Jahrhunderts? Nicht ganz: Physiker sind tatsächlich in der Lage, zwar keine massiven Teilchen, so aber doch deren Eigenschaften zu beamen bzw. zu „teleportieren“, wie es in der Fachsprache heißt. Erstmals klassisches Objekt teleportiert weiterlesen

Durchbruch bei Quantenteleportation: Quantenbits auf Knopfdruck übertragen

Deterministische Quantenteleportation eines photonischen Quantenbits. Jedes Qubit, das von links in den Teleporter fliegt, verlässt den Teleporter rechts mit einem Qualitätsverlust von nur etwa 20 Prozent – ein Wert, der klassisch, d.h. ohne Verschränkung, unerreichbar ist. Quelle: University of Tokyo
Deterministische Quantenteleportation eines photonischen Quantenbits. Jedes Qubit, das von links in den Teleporter fliegt, verlässt den Teleporter rechts mit einem Qualitätsverlust von nur etwa 20 Prozent – ein Wert, der klassisch, d.h. ohne Verschränkung, unerreichbar ist.
Quelle: University of Tokyo

Mithilfe quantenmechanischer Verschränkung räumlich getrennter Lichtfelder ist es Wissenschaftlern aus Tokio und Mainz gelungen, photonische Quantenbits außerordentlich zuverlässig zu teleportieren. Rund 15 Jahre nach den ersten Versuchen auf dem Gebiet der optischen Teleportation ist damit ein entscheidender Durchbruch gelungen.

Der Erfolg des in Tokio durchgeführten Experiments beruht auf einer Hybridtechnik, bei der zwei konzeptionell verschiedene, bisher unvereinbare Ansätze verknüpft werden. „Diskrete, digitale optische Quanteninformation kann dabei kontinuierlich und damit sozusagen auf Knopfdruck übertragen werden“, erklärt Univ.-Prof. Dr. Peter van Loock von der Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU). Van Loock hat als Physik-Theoretiker die experimentellen Physiker um Akira Furusawa von der Universität Tokio beraten, wie sie den Teleportationsversuch am effizientesten durchführen und eine erfolgreiche Quantenteleportation letztlich auch verifizieren können. Die Forschungsarbeiten wurden in dem renommierten Fachmagazin Nature am 15. August 2013 veröffentlicht.

Die Quantenteleportation ermöglicht den Transfer von beliebigen Quantenzuständen von einem Sender, als Alice bezeichnet, zu einem räumlich entfernten Empfänger, genannt Bob. Voraussetzung ist, dass sich Alice und Bob zunächst einen verschränkten Quantenzustand, z.B. in Form von verschränkten Photonen, über die Distanz teilen. Die Quantenteleportation ist von fundamentaler Bedeutung für die Verarbeitung von Quanteninformation (Quantencomputing) und die Quantenkommunikation. Insbesondere für die Quantenkommunikation gelten Photonen als optimale Informationsträger, da sie eine Signalübertragung mit Lichtgeschwindigkeit ermöglichen. Mit einem Photon kann man ein Quantenbit oder Qubit darstellen – analog zu einem Bit in der klassischen Informationsverarbeitung. Man spricht dann von „fliegenden Quantenbits“.

Erste Versuche zur Teleportation von einzelnen Photonen, die auch als Lichtteilchen bezeichnet werden, gehen auf den Wiener Physiker Anton Zeilinger zurück. In der Zwischenzeit wurden verschiedene Experimente durchgeführt, allerdings stieß die Teleportation eines photonischen Quantenbits mithilfe der herkömmlichen Methoden aufgrund von experimentellen Unzulänglichkeiten und grundsätzlichen Prinzipien an Grenzen.

Der Schlüssel für das Experiment in Tokio ist eine Hybridtechnik. Mit ihrer Hilfe ist es gelungen, experimentell eine vollkommen deterministische Quantenteleportation von photonischen Qubits zu erzielen, bei der die Teleportation mit außerordentlich hoher Zuverlässigkeit erfolgt. Die Genauigkeit der Übertragung liegt bei 79 bis 82 Prozent für vier unterschiedliche Qubits. Außerdem konnten die Qubits selbst bei einem geringen Grad der Verschränkung wesentlich effizienter teleportiert werden als in früheren Experimenten.

Verschränkung-on-Demand durch Lichtquetschung

Der Begriff der Verschränkung geht auf Erwin Schrödinger zurück und bezeichnet den Befund, dass zwei Quantensysteme, beispielsweise zwei Lichtteilchen, einen gemeinsamen Zustand einnehmen und in ihrem Verhalten auf stärkere Weise voneinander abhängen als es klassisch möglich ist. Bei dem Tokioter Experiment wurde durch die Verschränkung von vielen Photonen mit vielen Photonen eine kontinuierliche Verschränkung erzeugt, bei der nicht nur einzelne wenige Lichtteilchen, sondern die kompletten Amplituden und Phasen zweier Lichtfelder miteinander quantenkorreliert sind. Bisherige Experimente hatten dagegen jeweils nur ein einzelnes Photon mit einem anderen einzelnen Photon verschränkt – eine weniger effiziente Lösung. „Die Verschränkung von Photonen hat in dem Tokio-Experiment sehr gut funktioniert – praktisch auf Knopfdruck, sobald der Laser eingeschaltet wurde“, beschreibt van Loock, Professor für Theorie der Quantenoptik und Quanteninformation, den Versuch. Erreicht wurde diese kontinuierliche Verschränkung durch sogenanntes gequetschtes Licht, das im Phasenraum des Lichtfeldes die Form einer Ellipse annimmt. Ist die Verschränkung erzeugt, kann ein drittes Lichtfeld beim Sender angeheftet werden. Von dort können dann im Prinzip beliebige und beliebig viele Zustände an den Empfänger übertragen werden. „In unserem Experiment waren es genau vier ausreichend repräsentative Testzustände, die unter Benutzung der Verschränkung von Alice übermittelt wurden und bei Bob entsprechende Zustände erzeugt haben. Dank der kontinuierlichen Verschränkung ist es möglich, dass die photonischen Qubits deterministisch, also bei jedem Versuch, zu Bob übertragen werden“, ergänzt van Loock.

Frühere Experimente zur optischen Teleportation waren unterschiedlich angelegt und bis heute inkompatibel. Von physiktheoretischer Seite wurde zwar angenommen, dass die beiden unterschiedlichen Ansätze, die diskrete und die kontinuierliche Welt, zu verbinden sind. Dass es nun im Experiment mit der Hybridtechnik tatsächlich gelungen ist, stellt einen technologischen Durchbruch dar. „Jetzt nähern sich die beiden Welten an“, so van Loock.
( Quelle: idw. Veröffentlichung: Shuntaro Takeda et al. Deterministic quantum teleportation of photonic quantum bits by a hybrid technique. Nature, 15. August 2013. DOI: 10.1038/nature12366)
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Weltrekord: Quantenteleportation über große Distanzen

Quantenteleportationsexperiment hat neuen Distanzrekord erzielt Foto IQOQI-Vienna

Physiker der Universität Wien und der Österreichischen Akademie der Wissenschaften haben mit einem Quantenteleportations-Experiment zwischen zwei kanarischen Inseln einen neuen Distanzrekord erzielt. Das Experiment ist ein wesentlicher Schritt in Richtung Satelliten-basierte Quantenkommunikation. Die Ergebnisse erscheinen aktuell im renommierten Fachmagazin “Nature” (Advance Online Publication/AOP).

Ein Team um Anton Zeilinger, Professor an der Universität Wien und Direktor des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Akademie der Wissenschaften (ÖAW), hat erfolgreich Quantenzustände über eine Distanz von 143 km von La Palma nach Teneriffa übertragen. Dies entspricht der Luftlinie zwischen Wien und Graz. Der alte Rekord, aufgestellt von Forschern in China, lag bei 97 km und war gerade erst ein paar Monate alt. Die Ergebnisse des internationalen Forscherteams sind aktuell in der internationalen Fachzeitschrift “Nature” veröffentlicht worden.

Dem Quanteninternet einen Schritt näher

Den Wissenschaftern ging es aber nicht primär um diesen Rekord: Ihre Experimente ermöglichen eine höhere Datenrate als das chinesische Experiment und könnten damit die Grundlage für ein weltumspannendes Informationsnetzwerk schaffen, in welchem es quantenmechanische Effekte ermöglichen, Nachrichten mit größerer Sicherheit auszutauschen und bestimmte Berechnungen effizienter durchzuführen als dies mit konventionellen Technologien möglich ist. In einem solchen zukünftigen “Quanteninternet” wird die Quantenteleportation ein zentrales Protokoll für die Übermittlung von Information zwischen Quantencomputern sein.

In einem Quantenteleportations-Experiment können Quantenzustände – nicht aber Materie – zwischen zwei Parteien über an sich beliebige Distanzen ausgetauscht werden. Der Prozess funktioniert selbst wenn der Ort des Empfängers nicht bekannt ist. Ein solcher Austausch kann entweder dem Übermitteln von Nachrichten dienen, oder in künftigen Quantencomputern eingesetzt werden. In solchen Anwendungen müssen jedoch die Lichtquanten (oder Photonen), welche die Quantenzustände kodieren, zuverlässig über weite Distanzen transportiert werden, ohne dass ihr empfindlicher Quantenzustand zerstört wird. Das Experiment der Wiener Physiker, in welchem sie eine für Teleportation taugliche Quantenverbindung über deutlich mehr als 100 km hergestellt haben, eröffnet nun neue Horizonte.

Quantenteleportation über große Distanz nun möglich

Xiao-Song Ma, einer der verantwortlichen Mitarbeiter dieser Studie erklärt: “Eine Quantenteleportation über eine Distanz von 143 km durchzuführen war eine enorme technische Herausforderung”. Die Photonen mussten direkt durch die turbulente Atmosphäre zwischen den beiden Inseln geschickt werden. Der Einsatz von Glasfasern für Teleportations-Experimente ist über diese Distanzen nicht möglich – der Signalverlust wäre zu groß. Um ihr Ziel zu erreichen, mussten die Wissenschafter eine ganze Reihe von technischen Innovationen aufbieten. Unterstützung haben die Wiener Physiker dabei von einer Theoriegruppe am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching (D) und von einer experimentellen Gruppe an der University of Waterloo (Kanada) erhalten. “Ein entscheidender Schritt zu unserer erfolgreichen Teleportation war eine Methode namens ‘Active Feed-Forward’, die wir zum ersten Mal in einem solchen Langstreckexperiment eingesetzt haben und dank der wir die Übertragungsrate verdoppeln konnten”, sagt Ma. Dabei werden parallel zur Quanteninformation konventionelle Daten geschickt, die es dem Empfänger wesentlich erleichtern, die transferierte Information zu entschlüsseln.

Nächster Schritt: Quantensatellit für weltumspannendes Experiment

“Unser Experiment zeigt, wie reif ‘Quantentechnologien’ heutzutage sind und wie nützlich sie für praktische Anwendungen sein können”, so Anton Zeilinger. Sein Blick ist nun nach oben gerichtet: “Der nächste Schritt ist Satelliten-basierte Quantenteleportation, womit dann Quantenkommunikation auf einer globalen Skala realisierbar sein sollte. Wir haben nun einen großen Schritt in diese Richtung genommen und werden unser Know-how in eine internationale Kooperation einbringen, an welcher auch unsere Kollegen von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften beteiligt sind. Das Ziel ist, einen gemeinsamen Quantensatelliten ins All zu schießen.”

Rupert Ursin, der seit 2002 mit Zeilinger an Langstreckenexperimenten arbeitet, ergänzt: “Hinsichtlich zukünftiger Experimente in denen wir entweder Signale zwischen der Erde und Satelliten austauschen oder von einem Satelliten zu einem anderen schicken werden, sind unsere neuesten Resultate sehr ermutigend.” Die Umlaufbahnen von Satelliten im sogenannten “Low-Earth Orbit” verlaufen zwischen 200 bis 1200 km über der Erdoberfläche. (Die Internationale Raumstation ISS, zum Beispiel, kreist in einer Höhe von rund 400 km.) “Auf dem Weg durch die Atmosphäre von La Palma nach Teneriffa sind unsere Signale um ein rund Tausendfaches abgeschwächt worden. Trotzdem haben wir es geschafft, ein Teleportations-Experiment durchzuführen. In Satelliten-basierten Experimenten werden die Strecken, die wir zurücklegen müssen, zwar länger sein, aber es wird weniger Atmosphäre zu durchqueren sein. Wir haben nun eine grundsolide Basis für solche Experimente geschaffen.” (Quelle: idw; Foto: IQOQI/Vienna – Quantenteleportationsexperiment hat neuen Distanzrekord erzielt)

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Die Entdeckung des Zufalls

Als Max Planck vor 100 Jahren mit einem Vortrag vor der Deutschen Physikalischen Gesellschaft in Berlin den Grundstein zur Quantentheorie legte, brachte er damit eine tiefgreifende Umwälzung des physikalischen Weltbilds in Gang. Hatten die Wissenschaftler bis dahin geglaubt, die Natur gleiche einem überdimensionalen Uhrwerk mit vorhersehbaren Abläufen, so wurden sie im Zuge der quantenmechanischen Revolution mit der Entdeckung des Zufalls konfrontiert.
Die Erkenntnis, dass es zum Beispiel für den Zeitpunkt des Zerfalls eines radioaktiven Atoms keinerlei Ursache gibt, war für die Physiker zu Beginn des 20. Jahrhunderts keineswegs erfreulich. Die sogenannte deterministische, klassische Physik hatte es ihnen ermöglicht, die Natur zu verstehen und Ereignisse wie Springfluten oder Mondfinsternisse vorherzusagen. Das gab ihnen über viele Jahrhunderte ein Gefühl von Sicherheit und Macht. Das Ende des Determinismus, der Vorhersagbarkeit, war daher nur schwer zu akzeptieren.
Dabei hatten statistische Theorien, die lediglich Aussagen über die Wahrscheinlichkeit eines Ereignisses machen, die Physiker in früheren Zeiten nicht beunruhigt. Man wusste, hochkomplexe Systeme wie Gase ließen sich nur über statistische Aussagen in den Griff bekommen. Denn es ist einfach unmöglich, die Orte und Geschwindigkeiten aller Teilchen eines Gases zu kennen. Würde aber ein „Superhirn” existieren, das über sämtliche nach dem Urknall entstandenen Teilchen Bescheid wüsste, dann müsste es den Lauf der Welt vorausberechnen können – so die damalige Meinung. Nun stellte sich heraus, dass dem Zufall in der Quantentheorie mit dieser Art von Allwissenheit nicht beizukommen war. Die sogenannte Unbestimmtheitsrelation machte es grundsätzlich unmöglich, Ort und Geschwindigkeit eines Gasatoms zur gleichen Zeit exakt zu messen.
Die Quantentheorie brachte aber nicht nur den Zufall ins Spiel. Es stellte sich heraus, dass quantenmechanische Dinge ein merkwürdig schemenhaftes Dasein führen, das erst durch eine Messung, also den Eingriff eines Beobachters, in einen eindeutigen Zustand überführt wird. Der Zustand eines Elektrons ist ohne eine Messung, die uns diesen Zustand offenbart, nicht nur nicht bekannt, sondern einfach nicht definiert. Hieraus ergab sich die Notwendigkeit, über erkenntnistheoretische Fragen nachzudenken. Denn nachdem sicher war, dass es keine vom Beobachter losgelöste Realität gibt, stellte sich die zentrale Frage, was wir dann überhaupt über die Natur wissen können. Was treibt ein Elektron, wenn ihm keiner zusieht? Auf diese Frage gibt es schlichtweg keine Antwort.
Die Quantenmechanik ist die am besten überprüfte und bestätigte Theorie überhaupt. Gleichzeitig sind ihre möglichen Konsequenzen wie Zeitreisen, „geisterhafte Fernwirkungen” oder die Quanten- Teleportation mit unserem an der Alltagswelt geschulten Verstand kaum zu erfassen. Die Quantentheorie bildet die Grundlage der gesamten modernen Physik, denn erst durch sie wurde ein tieferes Verständnis der Materie möglich. Mit ihrer Hilfe können wir beispielsweise erklären, warum Atome stabil sind, wie ein Laser funktioniert und warum Metalle den Strom besser leiten als die meisten Kunststoffe. Und nicht nur für die Elektronik, Optik oder Nanotechnologie ist die Quantenphysik entscheidend – auch die Vorgänge in der Chemie und Molekularbiologie sind letztlich auf Quanteneffekte zurückzuführen. „Bei der Interpretation der Quantentheorie mag es Schwierigkeiten geben”, schreibt der britische Elementarteilchenphysiker Robert Gilmore, „aber sie funktioniert zweifellos aufs beste.”
(Quelle: Themenheft »Entdeckung des Zufalls«, BMBF, Dezember 2000)

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Science Fiction oder Wissenschaft: Wann wird Beamen Realität?

Wissen Sie Bescheid ob Beamen möglich ist? Hier jetzt die Antwort!

War Beamen vor Jahrtausenden schon einmal Realität? Konnten sich etwa Druiden von einem Dolmen zum anderen teleportieren? Oder wird bald Realität, was in der Science-Fiction Literatur steht? Dazu ein Zitat aus einem Zeitreiseroman zum Thema Beamen (Teleportation). Der Buch-Titel: “Professor Allman – Auf der Suche nach der Weltformel” :

Nach zwei Stunden hat Pinchin erneut zwei Hunde verbraucht. Dem einen fehlen nach der Teleportation die Vorderläufe und bei dem anderen wächst der Schwanz aus dem Kopf, während die Ohren den Platz des Schwanzes einnehmen.
Pinchin flucht fürchterlich und fummelt an seinem Pinchinmat herum. „Ich muss den Fehler finden, ich will es!“ Er ändert einige Einstellungen und beginnt einen weiteren Versuch. „Jetzt muss es klappen!“ murmelt er mit verbissenem Gesicht.

Teleportation auch Beamen genannt, bezeichnet die Bewegung eines Objektes von einem Punkt der Einsteinschen Raumzeit zu einem beliebigen anderen Punkt der Raumzeit, ohne dass das Objekt dabei physisch den dazwischen liegenden Raum durchquert.

Was bisher immer als Science Fiction galt, schien vor wenigen Jahren Realität zu werden. Im Sommer 2004 meldete der Spiegel-Online: Forscher beamen Photonen über die Donau

Was ist dran am Beamen? Können wir uns bald wie Spok und Scotty ins Raumschiff hochbeamen? Die folgende Überlegung sorgt für Klarheit:

Bei der realen Übertragung von Teilchen im Rahmen einer Teleportation geht man von etwa 1 Kilobyte Information aus, die in Bruchteilen von Sekunden gespeichert und übertragen werden. Für den Transport eines Menschen errechnet sich daraus eine Datenmenge von etwa 10 · 10
19 Terabyte. Diese Datenmenge ist aber so unvorstellbar groß, dass die reale Teleportation eines Menschen noch sehr lange ein Wunschtraum bleiben wird. Innerhalb der Quantenphysik sind Teleportationen nur mit einzelnen Quantenteilchen möglich.

Dazu folgender Beitrag aus “Nature Physics”: Wissenschaftler der Universität Heidelberg, University of Science and Technology of China und der TU Wien berichten die experimentelle Übertragung eines unbekannten Quantenzustandes mit zwischenzeitlicher Speicherung

In der  Ausgabe von “Nature Physics” vom 20. Januar berichten Wissenschaftler der Universität Heidelberg, University of Science and Technology of China und der TU Wien die experimentelle Übertragung eines unbekannten Quantenzustandes mit zwischenzeitlicher Speicherung. Autoren sind Yu-Ao Chen, Shuai Chen, Zhen-Sheng Yuan, Bo Zhao, Chih-Sung Chuu, Jörg Schmiedmayer und Jian-Wei Pan.

Quantenzustände (Quanten-Bits) sind äußerst sensitiv gegenüber Störung. Verschiedene physikalische Systeme haben dabei unterschiedliche Vorteile bei der Übermittlung, Manipulation und der Speicherung von Quantenzuständen. Photonen (Lichtteilchen) sind zum Beispiel hervorragend geeignet für die Kommunikation von Quantenzuständen. Sie sind schnell und robust, jedoch extrem schwer zu speichern. Atomare Ensembles hingegen sind sehr langlebig und können für die Speicherung von Quantenzuständen verwendet werden. Ihre Präzision und lange Kohärenzzeit bilden die Grundlage für moderne Atomuhren. Die Verknüpfung dieser beiden Systeme galt lange als eine große Herausforderung.

In “Nature Physics” berichtet das Team die experimentelle Übertragung eines unbekannten Quantenzustandes mit zwischenzeitlicher Speicherung. Dabei wird mit Hilfe von Quanten-Teleportation der Zustand eines Photons auf einen atomaren Quantenspeicher übertragen, wo er im atomaren Ensemble für bis zu acht Mikrosekunden gespeichert und anschließend wieder ausgelesen und auf ein Photon übertragen wird. Eine solche Schnittstelle, die die Übertragung von Quantenzuständen von Licht auf Materie und die anschließende Rückübertragung ermöglicht, ohne dabei den Quantencharakter der gespeicherten Information zu zerstören, ist ein wesentlicher Bestandteil eine zukünftigen Quantentechnologie.

Wie kann dieses Ziel erreicht werden?

In der klassischen, makroskopischen Welt ist es ohne weiteres möglich, Informationen zu kopieren und zu senden, so zum Beispiel mit einem Fax-Gerät. In der mikroskopischen Quantenwelt ist dies jedoch nicht möglich. Quanteninformation kann nicht kopiert und nur transferiert werden, wenn dabei das Original zerstört wird. Wie jedoch ist diese Übertragung eines Quantenzustandes zwischen zwei Orten zu erreichen?

Bei der Quanten-Teleportation wird ein unbekannter Zustand zu einem anderen Ort transferiert, ohne dass im Laufe des Vorgangs jegliche Kenntnis über den Zustand gewonnen wird. Dies ist eines der faszinierenden Beispiele dafür, wie Quanten-Verschränkung für reale Anwendungen verwendet werden kann, die in zahlreichen Quanten-Kommunikations- und -Algorithmen-Protokollen Verwendung finden.

Sowohl die Quanten-Teleportation als auch der Quanten-Speicher sind bereits in so genannten “proof-of-principle”-Experimenten gezeigt worden. Jedoch die Implementierung einer Quanten-Teleportation von photonischen Qubits mit integriertem Speicher war bis heute nicht möglich.

Im Experiment verwenden die Wissenschaftler photonische Qubits als Datenträger; die Quanten-Information ist codiert im Polarisationsfreiheitsgrad der Photonen. Als Quanten-Speicher dient der kollektive Spin-Zustand eines ultrakalten Ensembles von etwa einer Millionen Rubidium-Atomen. Zunächst wird eine Verschränkung zwischen dem Polarisationszustand des Photons und dem Zustand des Quanten-Speichers erzeugt. Diese Atom-Photon-Verschränkung dient als Ressource für die Teleportation eines unbekannten photonischen zu einem atomaren Qubit. Dies geschieht mit Hilfe einer so genannten “Bell-Zustands-Messung” zwischen dem zu teleportierenden Photon und dem Photon, das zuvor mit dem atomaren Ensemble verschränkt wurde. Der teleportierte Zustand kann nun im kollektiven Zustand des atomaren Ensembles gespeichert und nach bis zu acht Mikrosekunden erfolgreich wieder ausgelesen werden.

Die erfolgreiche Teleportation wird mit Hilfe der experimentell bestimmten Reinheit des finalen Zustandes verifiziert, die größer ist als das klassische Limit von zwei Dritteln.

Das beschriebene Experiment trägt nicht nur zum fundamentalen Verständnis moderner Physik bei, sondern ist darüber hinaus ein bedeutender Schritt in die Richtung effizienter und skalierbarer Quanten-Netzwerke. (Quelle: idw)