Die Lichtausbeuter

Mit Quantentechnologien die Dimensionen der Datenübertragung sprengen

Wie viele Informationen passen durch ein Glasfaserkabel? Christoph und Florian Marquardt wollen die heutigen Dimensionen der Datenübertragung sprengen – mit Quantentechnologien.

Für Christoph Marquardt ist Licht nicht einfach nur hell oder dunkel – logisch, er ist Physiker. Licht ist für ihn aber auch mehr als eine Welle mit Frequenz und Amplitude: „Ich versuche, die Dimensionen des Lichts zu ergründen, indem ich es aus quantenoptischer Perspektive betrachte“, sagt der Professor für Quantentechnologien an der FAU und Arbeitsgruppenleiter am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL).

Marquardt betreibt Grundlagenforschung, allerdings mit klarem Anwendungsbezug: Er sucht nach dem Optimum für die Übertragung von Informationen. Optimum bedeutet nicht maximale Packung, sondern eine Kombination aus Datendichte, geringem Energieverbrauch und der Möglichkeit, die bestehende Infrastruktur zu nutzen. „Ein Tiefseekabel wird nicht neu verlegt, weil sich die Übertragungstechnologie geändert hat“, sagt er.

Höhere Informationsdichte durch Quantenzustände

Aktuell sind Informationen in den Lichtwellen codiert – diese Wellen können variieren, kurz oder lang sein, mit kleiner oder großer Amplitude. Und auch das ist nur der erste Schritt: Durch eine Glasfaser können gleichzeitig mehrere Wellen geleitet werden, die um ihre Achse gegeneinander verdreht sind. „Irgendwann ist jedoch eine Grenze erreicht“, erklärt Christoph Marquardt. „Moleküle werden überdehnt, es gibt Wellenmischungseffekte und störendes Rauschen durch Verstärkungsprozesse.“ Die Folge: Es bedarf immer raffinierterer und aufwendigerer Verfahren, um Über­tragungsfehler zu korrigieren.

Das Ziel ist damit vorgegeben: Die Informationsdichte soll wachsen, die Zahl der Photonen aber nicht. Genau hier kommen Quantenzustände ins Spiel. „Wir forschen beispielsweise an Apparaten, die zunächst nur einen kleinen Teil des Quantenzustandes messen und sich dann selber so verändern, dass sie alle Quantenparameter optimal bestimmen können. Dadurch gewinnen wir mehr Information aus derselben Energie.“, erklärt Marquardt. Weil die Daten zuverlässig geschützt werden müssen, forscht er parallel an neuen Methoden der Kryptografie. Auch dafür nutzt er Quanteneigenschaften, zum Beispiel verschränkte Photonenpaare. Mit ihrer Hilfe lässt sich prüfen, ob Informationen manipuliert wurden oder abgeflossen sind – aus den Mess­ergebnissen lässt sich ein geheimer Schlüssel erzeugen. „Das ist möglich, weil jeder Zugriff Änderungen an den Quantenzuständen bewirkt. Diese Änderungen können wir messen.“

Prof. Dr. Christoph Marquardt studierte Physik an der FAU und der University of York, Großbritannien. 2007 wurde er mit einer Arbeit zur Charakterisierung von Quantenzuständen promoviert. Seit 2009 ist er Leiter der Gruppe Quanteninformationsverarbeitung am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL). Von 2012 bis 2014 war er Alcatel-Lucent-Bell-Labs-Gastprofessor an der FAU und von 2013 bis 2014 Gastwissenschaftler an der Technischen Universität Dänemark. 2022 wurde Christoph Marquardt auf den Lehrstuhl für Optische Quantentechnologien der FAU berufen.

Werkzeugkasten für KI

Selbstverständlich stößt auch die Quantentechnologie an Grenzen. Um zu ergründen, wo genau diese Grenzen liegen, setzt Christoph Marquardt auf die Expertise der Theoretischen Physik. In seinem Fall ist das eine Familienangelegenheit, denn nur ein paar Türen entfernt liegt das Büro seines Bruders Florian. Auch er hat Physik studiert, allerdings nicht wie Christoph in Erlangen, sondern in Bayreuth. „Für mich war es danach sehr wichtig, in Basel und in Yale internationale Erfahrungen zu sammeln“, sagt er. An die FAU kam Florian Marquardt 2010, als er auf den Lehrstuhl für Theoretische Physik berufen wurde, 2016 wurde er zudem Forschungsdirektor am MPL. Als Leiter der Theorieabteilung beschäftigt er sich mit der Dynamik von Systemen, insbesondere an der Schnittstelle von Nanophysik und Quantenoptik.

Prof. Dr. Florian Marquardt studierte Physik an der Universität Bayreuth. Anschließend ging er an die Universität Basel, Schweiz, wo er 2002 seine Doktorarbeit verteidigte. 2003 wechselte er als Post­doktorand an die Yale University, USA. 2005 kehrte er nach Deutschland zurück und wurde zunächst Juniorprofessor und dann Emmy-Noether-Gruppenleiter an der Ludwig-Maximilians-Universität München. Seit 2010 ist er Inhaber des Lehrstuhls für Theoretische Physik an der FAU, seit 2016 Direktor am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL).

 

Wenn es also um die Fragen geht, wie man Licht in all seinen Dimensionen messen kann, warum Elektronen sich bei bestimmten Temperaturen merkwürdig verhalten oder wie Quantenoptik in supraleitenden Schaltkreisen funktioniert, ist Florian Marquardt der richtige Ansprechpartner. Zugleich forscht er an Methoden der künstlichen Intelligenz, etwa um die Entwicklung von Quantencomputern zu beschleunigen. „Maschinelles Lernen und neuronale Netze können uns auch bei der Optimierung der quantenoptischen Datenübertragung unterstützen“, erklärt er. „Das betrifft den gesamten Prozess – von der Codierung der Informationen über den verlustarmen Transport bis hin zur Interpretation von verrauschten Signalen.“

Diesen Prozess zu simulieren und zu belastbaren Fortschritten zu gelangen, erfordert nicht nur eine hohe Rechenleistung, sondern auch viel Geduld, weil das Programm unzählige Wiederholungen vornehmen muss. „Da kann es durchaus passieren, dass man in einem sogenannten lokalen Optimum stecken bleibt, bei dem sich die Zielwerte nicht mehr verbessern“, sagt Florian Marquardt. „Lernende Systeme sind in der Lage, Muster zu erkennen, die aus dieser Sackgasse führen.“ Als Ideal schwebt dem Physiker vor, die richtigen Instrumente wie in einem Werkzeugkasten zur Verfügung zu stellen, aus dem die KI sich bedienen und erfolgreiche Strategien entwickeln kann.

Autor: Matthias Münch

Dieser Artikel ist Teil des FAU Magazins

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