Quantennetzwerk mit acht Teilnehmern

Möglich war das, indem die Quantenschlüssel zentral verteilt werden, berichtet das Team britischer, kroatischer und österreichischer Wissenschaftler am Mittwoch im Fachjournal „Science Advances“.

Geisterhafte Verschränkung

Mit Hilfe der Gesetze der Quantenphysik soll in Zukunft komplett abhörsichere Kommunikation möglich werden. Basis dafür bildet das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung. Demnach bleiben zwei Teilchen – etwa Photonen – wie durch Geisterhand miteinander verbunden: Die Messung an einem legt unmittelbar den Zustand des anderen fest. Mit diesem Effekt lassen sich Schlüssel generieren, die nicht geknackt werden können – versucht ein Dritter mitzuhören, wird das sofort bemerkt. Solche Schlüssel kann man dann in der klassischen Kommunikation zur Verschlüsselung verwenden.

Über eine direkte Verbindung zwischen zwei Teilnehmern oder Teilnehmerinnen können heute bereits solche Schlüssel ausgetauscht werden. Für mehrere wäre eine komplexe und teure Infrastruktur erforderlich. Vor knapp zwei Jahren ist es Physikern des Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) gelungen, eine wesentlich kostengünstigere und technisch ressourcensparendere Lösung zu entwickeln. Das ermöglichte ein Quantennetzwerk mit vier Teilnehmern. Jeder der vier Teilnehmer war mit nur einer Faser mit der Quelle verbunden, die Quantenmechanik erledigt den Rest. Sie garantiert wie durch Geisterhand, dass jeder mit jeden im Netz einen quantenphysikalisch sicheren Schlüssel generieren kann.

ÖAW/ Klaus Pichler

Kommunikation über Kilometer

Nun konnte ein Team um IQOQI-Gruppenleiter Rupert Ursin in Bristol ein Netzwerk mit acht Teilnehmern realisieren. „Wir nutzen eine zentrale Quelle für verschränkte Photonen, mit der die acht Netzwerkteilnehmer über Glasfasern verbunden werden“, erklärte IQOQI-Mitarbeiter und Mit-Studienautor Sören Wengerowsky in einer Aussendung. Im Experiment waren die Detektoren der einzelnen Teilnehmer zwar alle im selben Raum, aber die Glasfasern zum Austausch der Photonen verliefen über mehrere Kilometer durch ganz Bristol.

Die Quantenverschlüsselung im Netzwerk funktioniert, indem die zentrale Quelle verschränkte Photonenpaare erzeugt und dann separiert an die Netzwerkteilnehmer verteilt. Über die Ankunftszeit der Photonen können verschränkte Lichtteilchen identifiziert und zur Verschlüsselung genutzt werden. Weil verschiedene, aber korrelierte, Wellenlängen genutzt werden, können sich die Kommunikationspartner auf die für sie relevante Wellenlänge konzentrieren und die restlichen Photonen ignorieren. „Das funktioniert auch für mehrere parallele Verbindungen“, erklärte Wengerowsky.

Grundlage für Quanteninternet

Mit dem Quantennetzwerk werden lediglich die Schlüssel generiert, die damit verschlüsselte Nachricht kann dann über eine normale Internetverbindung verschickt werden. Für optimale Sicherheit muss der Schlüssel allerdings genauso groß sein wie die Nachricht, die übermittelt werden soll.

Der Schlüssel muss dabei nicht in Echtzeit erstellt werden, die Netzwerk-Teilnehmer können die Photonen, die den Schlüssel bilden, auch auf Vorrat horten. „Wir haben das Netzwerk im Experiment 17 Stunden am Laufen gehalten und Datenraten zwischen fünf und 300 Bit pro Sekunde erreicht“, sagte Wengerowsky. Er räumt ein, dass das noch nicht ausreichend ist, um die sicherste Variante der Verschlüsselung für heute übliche Datenmengen zu implementieren. Es gebe aber technische Möglichkeiten, die Datenrate zu verbessern. Zudem müsse wohl nicht jedes YouTube-Video mit dieser Art von Verschlüsselung gesichert werden.

Die Zahl der Netzwerkteilnehmer ließe sich mit dieser Architektur theoretisch vergrößern, dies sei aber technisch herausfordernd. Wengerowsky geht davon aus, dass ein künftiges Quanteninternet wohl auf einen Mix aus verschiedenen Architekturen setzen wird. Die Netzwerkarchitektur könnte den Physikern zufolge auch dazu genutzt werden, um Quantencomputer zu Netzwerken zusammenzuschalten und so eine Cloud aus Quantencomputern zu schaffen.

Quantennetzwerk – Wikipedia – Enzyklopädie

Dieser Artikel befasst sich mit der Implementierung und dem Betrieb von Quantennetzwerken. Eine mathematische Beschreibung der Quantenkommunikationskanäle finden Sie unter Quantenkanal.

Quantennetzwerke bilden ein wichtiges Element von Quantencomputern und Quantenkommunikationssystemen. Quantennetzwerke erleichtern die Übertragung von Informationen in Form von Quantenbits, auch Qubits genannt, zwischen physikalisch getrennten Quantenprozessoren. Ein Quantenprozessor ist ein kleiner Quantencomputer, der Quantenlogikgatter für eine bestimmte Anzahl von Qubits ausführen kann. Quantennetzwerke funktionieren ähnlich wie klassische Netzwerke. Der Hauptunterschied besteht darin, dass Quantenvernetzung wie Quantencomputer bestimmte Probleme besser lösen kann, beispielsweise die Modellierung von Quantensystemen.

Quantennetzwerke zur Berechnung [ edit ]

Vernetztes Quantencomputing oder verteiltes Quantencomputing[1][2] funktioniert durch Verbinden mehrerer Quantenprozessoren über ein Quantennetzwerk, indem Qubits zwischen ihnen gesendet werden. Dadurch entsteht ein Quantencomputer-Cluster und damit mehr Rechenpotenzial. Auf diese Weise können weniger leistungsfähige Computer verbunden werden, um einen leistungsstärkeren Prozessor zu erstellen. Dies ist analog zum Verbinden mehrerer klassischer Computer zu einem Computercluster im klassischen Computing. Wie das klassische Rechnen ist dieses System skalierbar, indem dem Netzwerk immer mehr Quantencomputer hinzugefügt werden. Derzeit sind Quantenprozessoren nur durch kurze Entfernungen voneinander getrennt.

Quantennetzwerke für die Kommunikation [ edit ]

Im Bereich der Quantenkommunikation möchte man Qubits über große Entfernungen von einem Quantenprozessor zu einem anderen senden.[3] Auf diese Weise können lokale Quantennetzwerke in ein Quanteninternet eingebunden werden. Ein Quanten-Internet[1] unterstützt viele Anwendungen, die ihre Leistung aus der Tatsache ableiten, dass durch die Erzeugung von quantenverschränkten Qubits Informationen zwischen den entfernten Quantenprozessoren übertragen werden können. Die meisten Anwendungen eines Quanteninternets erfordern nur sehr bescheidene Quantenprozessoren. Für die meisten Quanten-Internet-Protokolle, wie die Quantenschlüsselverteilung in der Quantenkryptographie, ist es ausreichend, wenn diese Prozessoren jeweils nur ein Qubit vorbereiten und messen können. Dies steht im Gegensatz zum Quantencomputer, bei dem interessante Anwendungen nur realisiert werden können, wenn die (kombinierten) Quantenprozessoren problemlos mehr Qubits simulieren können als ein klassischer Computer (etwa 60)[4]). Quanten-Internet-Anwendungen erfordern nur kleine Quantenprozessoren, oft nur ein einziges Qubit, da eine Quantenverschränkung bereits zwischen nur zwei Qubits realisiert werden kann. Eine Simulation eines verschränkten Quantensystems auf einem klassischen Computer kann nicht gleichzeitig die gleiche Sicherheit und Geschwindigkeit bieten.

Übersicht über die Elemente eines Quantennetzwerks [ edit ]

Die Grundstruktur eines Quantennetzwerks und allgemein eines Quanteninternets ist analog zu einem klassischen Netzwerk. Erstens haben wir Endknoten, auf denen letztendlich Anwendungen ausgeführt werden. Diese Endknoten sind Quantenprozessoren mit mindestens einem Qubit. Einige Anwendungen eines Quanteninternets erfordern Quantenprozessoren mit mehreren Qubits sowie einen Quantenspeicher an den Endknoten.

Zweitens benötigen wir Kommunikationsleitungen, um Qubits von einem Knoten zum anderen zu transportieren. Für die Quantenkommunikation können Standard-Telekommunikationsfasern verwendet werden. Für das vernetzte Quantencomputing, bei dem Quantenprozessoren über kurze Entfernungen miteinander verbunden sind, werden je nach der genauen Hardwareplattform des Quantenprozessors unterschiedliche Wellenlängen gewählt.

Drittens benötigt man optische Schalter, die Qubits an den beabsichtigten Quantenprozessor liefern können, um die Kommunikationsinfrastruktur maximal zu nutzen. Diese Schalter müssen die Quantenkohärenz bewahren, was ihre Realisierung schwieriger macht als optische Standardschalter.

Schließlich benötigt man einen Quanten-Repeater, um Qubits über große Entfernungen zu transportieren. Repeater erscheinen zwischen Endknoten.[5] Da Qubits nicht kopiert werden können, ist eine klassische Signalverstärkung nicht möglich. Ein Quanten-Repeater arbeitet notwendigerweise grundlegend anders als ein klassischer Repeater.

Elemente eines Quantennetzwerks [ edit ]

Endknoten: Quantenprozessoren [ edit ]

Endknoten können Informationen sowohl empfangen als auch senden.[5] Telekommunikationslaser und parametrische Abwärtskonvertierung in Kombination mit Fotodetektoren können für die Quantenschlüsselverteilung verwendet werden. In diesem Fall können die Endknoten in vielen Fällen sehr einfache Vorrichtungen sein, die nur aus Strahlteilern und Fotodetektoren bestehen.

Für viele Protokolle sind jedoch komplexere Endknoten wünschenswert. Diese Systeme bieten erweiterte Verarbeitungsfunktionen und können auch als Quantenrepeater verwendet werden. Ihr Hauptvorteil ist, dass sie Quanteninformationen speichern und erneut übertragen können, ohne den zugrunde liegenden Quantenzustand zu stören. Der gespeicherte Quantenzustand kann entweder der relative Spin eines Elektrons in einem Magnetfeld oder der Energiezustand eines Elektrons sein.[5] Sie können auch Quantenlogikgatter ausführen.

Eine Möglichkeit, solche Endknoten zu realisieren, besteht darin, Farbzentren in Diamant zu verwenden, beispielsweise das Stickstoffleerstellenzentrum. Dieses System bildet einen kleinen Quantenprozessor mit mehreren Qubits. NV-Zentren können bei Raumtemperatur verwendet werden.[5] Quantenalgorithmen im kleinen Maßstab und Quantenfehlerkorrektur[6] wurde bereits in diesem System demonstriert, sowie die Fähigkeit, zwei Fernbedienungen zu verwickeln[7] Quantenprozessoren und führen deterministische Quantenteleportation durch.[8]

Eine weitere mögliche Plattform sind Quantenprozessoren auf der Basis von Ionenfallen, die hochfrequente Magnetfelder und Laser verwenden.[5] In einem Multispezies-Netzwerk mit eingeschlossenen Ionenknoten werden mit einem Elternatom verschränkte Photonen verwendet, um verschiedene Knoten zu verschränken.[9] Auch die Hohlraumquantenelektrodynamik (Cavity QED) ist eine mögliche Methode, um dies zu tun. In Cavity QED können photonische Quantenzustände zu und von atomaren Quantenzuständen übertragen werden, die in einzelnen Atomen gespeichert sind, die in optischen Hohlräumen enthalten sind. Dies ermöglicht die Übertragung von Quantenzuständen zwischen einzelnen Atomen unter Verwendung einer optischen Faser zusätzlich zur Erzeugung einer entfernten Verschränkung zwischen entfernten Atomen.[5][10][11]

Kommunikationsleitungen: physikalische Schicht [ edit ]

Über große Entfernungen besteht die primäre Methode zum Betrieb von Quantennetzwerken darin, optische Netzwerke und photonenbasierte Qubits zu verwenden. Dies ist auf optische Netzwerke zurückzuführen, bei denen die Wahrscheinlichkeit einer Dekohärenz verringert ist. Optische Netzwerke haben den Vorteil, dass vorhandene Glasfasern wiederverwendet werden können. Alternativ können Freiraumnetzwerke implementiert werden, die Quanteninformationen durch die Atmosphäre oder durch ein Vakuum übertragen.[12]

Glasfasernetzwerke [ edit ]

Optische Netzwerke, die vorhandene Telekommunikationsfasern verwenden, können unter Verwendung von Hardware implementiert werden, die vorhandenen Telekommunikationsgeräten ähnlich ist. Diese Faser kann entweder Single-Mode oder Multi-Mode sein, wobei Multi-Mode eine präzisere Kommunikation ermöglicht.[5] Beim Absender a Einzelphoton Die Quelle kann durch starke Dämpfung eines Standard-Telekommunikationslasers erzeugt werden, so dass die mittlere Anzahl von Photonen pro Impuls weniger als 1 beträgt. Zum Empfangen kann ein Lawinenphotodetektor verwendet werden. Verschiedene Verfahren zur Phasen- oder Polarisationssteuerung können verwendet werden, wie Interferometer und Strahlteiler. Im Fall von Protokollen auf der Basis von Verschränkungen können verschränkte Photonen durch spontane parametrische Abwärtskonvertierung erzeugt werden. In beiden Fällen kann die Telekommunikationsfaser gemultiplext werden, um Nicht-Quanten-Timing- und Steuersignale zu senden.

Freiraumnetze [ edit ]

Freiraum-Quantennetzwerke arbeiten ähnlich wie Glasfasernetzwerke, verlassen sich jedoch auf die Sichtlinie zwischen den kommunizierenden Parteien, anstatt eine Glasfaserverbindung zu verwenden. Freiraumnetze können typischerweise höhere Übertragungsraten als Glasfasernetzwerke unterstützen und müssen die durch Lichtwellenleiter verursachte Polarisationsverschlüsselung nicht berücksichtigen.[13] Über große Entfernungen unterliegt die Freiraumkommunikation jedoch einer erhöhten Wahrscheinlichkeit von Umweltstörungen auf den Photonen.[5]

Wichtig ist, dass die Freiraumkommunikation auch von einem Satelliten zum Boden möglich ist. Ein Quantensatellit, der sich über eine Entfernung von 1.203 km verschränken kann[14] Wurde nachgewiesen. Der experimentelle Austausch einzelner Photonen aus einem globalen Navigationssatellitensystem in einer Neigungsentfernung von 20.000 km wurde ebenfalls berichtet.[15] Diese Satelliten können eine wichtige Rolle bei der Verbindung kleinerer bodengestützter Netzwerke über größere Entfernungen spielen.

Repeater [ edit ]

Die Fernkommunikation wird durch die Auswirkungen von Signalverlust und Dekohärenz behindert, die den meisten Transportmedien wie Glasfasern eigen sind. In der klassischen Kommunikation können Verstärker verwendet werden, um das Signal während der Übertragung zu verstärken, aber in einem Quantennetzwerk können Verstärker nicht verwendet werden, da Qubits nicht kopiert werden können – bekannt als No-Cloning-Theorem. Das heißt, um einen Verstärker zu implementieren, müsste der vollständige Zustand des fliegenden Qubits bestimmt werden, was sowohl unerwünscht als auch unmöglich ist.

Vertrauenswürdige Repeater [ edit ]

Ein Zwischenschritt, der das Testen der Kommunikationsinfrastruktur ermöglicht, sind vertrauenswürdige Repeater. Wichtig ist, dass ein vertrauenswürdiger Repeater nicht zum Übertragen von Qubits über große Entfernungen verwendet werden kann. Stattdessen kann ein vertrauenswürdiger Repeater nur zur Durchführung der Quantenschlüsselverteilung verwendet werden, mit der zusätzlichen Annahme, dass dem Repeater vertraut wird. Betrachten Sie zwei Endknoten A und B und einen vertrauenswürdigen Repeater R in der Mitte. A und R führen nun eine Quantenschlüsselverteilung durch, um einen Schlüssel zu erzeugen

k EIN R. { displaystyle k_ {AR}}

. In ähnlicher Weise führen R und B eine Quantenschlüsselverteilung aus, um einen Schlüssel zu erzeugen

k R. B. { displaystyle k_ {RB}}

. A und B können jetzt einen Schlüssel erhalten

k EIN B. { displaystyle k_ {AB}}

untereinander wie folgt: A sendet

k EIN B. { displaystyle k_ {AB}}

mit dem Schlüssel nach R verschlüsselt

k EIN R. { displaystyle k_ {AR}}

. R entschlüsselt zu erhalten

k EIN B. { displaystyle k_ {AB}}

. R verschlüsselt dann neu

k EIN B. { displaystyle k_ {AB}}

mit dem Schlüssel

k R. B. { displaystyle k_ {RB}}

und sendet es an B. B entschlüsselt, um zu erhalten

k EIN B. { displaystyle k_ {AB}}

. A und B teilen sich jetzt den Schlüssel

k EIN B. { displaystyle k_ {AB}}

. Der Schlüssel ist vor einem externen Lauscher sicher, aber der Repeater R weiß es auch

k EIN B. { displaystyle k_ {AB}}

. Dies bedeutet, dass jede nachfolgende Kommunikation zwischen A und B keine End-to-End-Sicherheit bietet, sondern nur so lange sicher ist, wie A und B dem Repeater R vertrauen.

Quanten-Repeater [ edit ]

Diagramm zur Quantenteleportation eines Photons

Ein echter Quanten-Repeater ermöglicht die Ende-zu-Ende-Erzeugung von Quantenverschränkungen und damit – unter Verwendung der Quantenteleportation – die Ende-zu-Ende-Übertragung von Qubits. In Quantenschlüsselverteilungsprotokollen kann man auf eine solche Verschränkung testen. Dies bedeutet, dass bei der Erstellung von Verschlüsselungsschlüsseln Sender und Empfänger sicher sind, auch wenn sie dem Quanten-Repeater nicht vertrauen. Jede andere Anwendung eines Quanteninternets erfordert auch die Ende-zu-Ende-Übertragung von Qubits und damit eines Quantenrepeaters.

Quanten-Repeater ermöglichen eine Verschränkung und können an entfernten Knoten hergestellt werden, ohne physisch ein verschränktes Qubit über die gesamte Entfernung zu senden.[16]

In diesem Fall besteht das Quantennetz aus vielen Kurzstreckenverbindungen von vielleicht zehn oder Hunderten von Kilometern. Im einfachsten Fall eines einzelnen Repeaters werden zwei Paare verschränkter Qubits hergestellt:

| EIN ⟩ { displaystyle | A rangle}

und

| R. ein ⟩ { displaystyle | R_ {a} rangle}

befindet sich am Absender und am Repeater und ein zweites Paar

| R. b ⟩ { displaystyle | R_ {b} rangle}

und

| B. ⟩ { displaystyle | B rangle}

befindet sich am Repeater und am Empfänger. Diese anfänglich verschränkten Qubits können leicht erzeugt werden, beispielsweise durch parametrische Abwärtskonvertierung, wobei ein Qubit physisch an einen benachbarten Knoten übertragen wird. Zu diesem Zeitpunkt kann der Repeater eine Glockenmessung an den Qubits durchführen

| R. ein ⟩ { displaystyle | R_ {a} rangle}

und

| R. b ⟩ { displaystyle | R_ {b} rangle}

damit teleportiert man den Quantenzustand von

| R. ein ⟩ { displaystyle | R_ {a} rangle}

auf zu

| B. ⟩ { displaystyle | B rangle}

. Dies hat den Effekt, dass die Verschränkung so „getauscht“ wird, dass

| EIN ⟩ { displaystyle | A rangle}

und

| B. ⟩ { displaystyle | B rangle}

sind jetzt in einem Abstand verwickelt, der doppelt so groß ist wie der der ursprünglich verwickelten Paare. Es ist ersichtlich, dass ein Netzwerk solcher Repeater linear oder hierarchisch verwendet werden kann, um eine Verschränkung über große Entfernungen herzustellen.[17]

Hardwareplattformen, die oben als Endknoten geeignet sind, können auch als Quantenrepeater fungieren. Es gibt jedoch auch nur spezifische Hardwareplattformen[18] auf die Aufgabe, als Repeater zu agieren, ohne die Fähigkeit, Quantengatter auszuführen.

Fehler Korrektur [ edit ]

Die Fehlerkorrektur kann in Quantenrepeatern verwendet werden. Aufgrund technologischer Einschränkungen ist die Anwendbarkeit jedoch auf sehr kurze Entfernungen beschränkt, da Quantenfehlerkorrekturschemata, die Qubits über große Entfernungen schützen können, eine extrem große Menge an Qubits und damit extrem große Quantencomputer erfordern würden.

Kommunikationsfehler können grob in zwei Typen eingeteilt werden: Verlustfehler (aufgrund von Glasfaser / Umgebung) und Betriebsfehler (wie Depolarisation, Dephasierung usw.). Während Redundanz verwendet werden kann, um klassische Fehler zu erkennen und zu korrigieren, können redundante Qubits aufgrund des No-Cloning-Theorems nicht erzeugt werden. Infolgedessen müssen andere Arten der Fehlerkorrektur eingeführt werden, beispielsweise der Shor-Code oder einer von mehreren allgemeineren und effizienteren Codes. Alle diese Codes verteilen die Quanteninformationen auf mehrere verschränkte Qubits, so dass sowohl Betriebsfehler als auch Verlustfehler korrigiert werden können.[19]

Zusätzlich zur Quantenfehlerkorrektur kann die klassische Fehlerkorrektur in speziellen Fällen wie der Quantenschlüsselverteilung von Quantennetzwerken eingesetzt werden. In diesen Fällen besteht das Ziel der Quantenkommunikation darin, eine Folge klassischer Bits sicher zu übertragen. Herkömmliche Fehlerkorrekturcodes wie Hamming-Codes können vor dem Codieren und Übertragen im Quantennetzwerk auf die Bitfolge angewendet werden.

Verschränkungsreinigung [ edit ]

Quantendekohärenz kann auftreten, wenn ein Qubit aus einem maximal verschränkten Glockenzustand über ein Quantennetzwerk übertragen wird. Die Reinigung von Verschränkungen ermöglicht die Erzeugung nahezu maximal verwickelter Qubits aus einer großen Anzahl von willkürlich schwach verschränkten Qubits und bietet somit zusätzlichen Schutz vor Fehlern. Die Verschränkungsreinigung (auch als Verschränkungsdestillation bekannt) wurde bereits in Stickstoffleerstellen in Diamant nachgewiesen.[20]

Anwendungen [ edit ]

Ein Quanten-Internet unterstützt zahlreiche Anwendungen, die durch Quantenverschränkung ermöglicht werden. Im Allgemeinen eignet sich die Quantenverschränkung gut für Aufgaben, die Koordination, Synchronisation oder Datenschutz erfordern.

Beispiele für solche Anwendungen umfassen die Quantenschlüsselverteilung,[21][22] Uhrensynchronisation,[23] Protokolle für verteilte Systemprobleme wie Führerwahlen oder byzantinische Vereinbarungen,[5] Erweiterung der Grundlinie von Teleskopen,[24][25] sowie Positionsüberprüfung, sichere Identifizierung und Zwei-Parteien-Kryptographie im Noisy-Storage-Modell. Ein Quanteninternet ermöglicht auch den sicheren Zugriff auf einen Quantencomputer[26] in der Wolke. Insbesondere ermöglicht ein Quanteninternet sehr einfachen Quantengeräten, eine Verbindung zu einem entfernten Quantencomputer herzustellen, so dass dort Berechnungen durchgeführt werden können, ohne dass der Quantencomputer herausfindet, was diese Berechnung tatsächlich ist (die Eingangs- und Ausgangsquantenzustände können ohne nicht gemessen werden Zerstörung der Berechnung, aber die für die Berechnung verwendete Schaltungszusammensetzung ist bekannt).

Sichere Kommunikation [ edit ]

Wenn es um Kommunikation in irgendeiner Form geht, war das größte Problem immer, diese Kommunikation privat zu halten.[27] Quantennetzwerke würden die Erstellung, Speicherung und Übertragung von Informationen ermöglichen und möglicherweise „ein Maß an Datenschutz, Sicherheit und Rechenleistung erreichen, das mit dem heutigen Internet nicht zu erreichen ist“.[28]

Durch Anwenden eines Quantenoperators, den der Benutzer auf ein Informationssystem auswählt, können die Informationen dann an den Empfänger gesendet werden, ohne dass ein Lauscher in der Lage ist, die gesendeten Informationen genau aufzuzeichnen, ohne dass der Absender oder der Empfänger dies wissen. Im Gegensatz zu klassischen Informationen, die in Bits übertragen werden und entweder einen 0- oder einen 1-Wert erhalten, verwenden die in Quantennetzwerken verwendeten Quanteninformationen Quantenbits (Qubits), die gleichzeitig einen Wert von 0 und 1 haben können und sich in einem Überlagerungszustand befinden .[28][29] Dies funktioniert, weil ein Hörer, der versucht zuzuhören, die Informationen auf unbeabsichtigte Weise ändert, indem er zuhört und dabei seine Hand auf die Personen richtet, auf die er angreift. Zweitens werden die gesendeten Informationen ohne den richtigen Quantenoperator zum Dekodieren der Informationen beschädigt, ohne dass sie selbst verwendet werden können. Darüber hinaus können Qubits in einer Vielzahl von Materialien codiert werden, einschließlich der Polarisation von Photonen oder der Spinzustände von Elektronen.[28]

Aktueller Status [ edit ]

Quanten-Internet [ edit ]

Derzeit gibt es kein Netzwerk, das Quantenprozessoren oder Quantenrepeater verbindet, die außerhalb eines Labors eingesetzt werden.

Ein Beispiel für einen Prototyp eines Quantenkommunikationsnetzwerks ist das Quantennetzwerk im Stadtmaßstab mit acht Benutzern, das in einem im September 2020 veröffentlichten Artikel beschrieben wurde. Das in Bristol ansässige Netzwerk verwendete bereits bereitgestellte Glasfaserinfrastruktur und arbeitete ohne aktive Vermittlung oder vertrauenswürdige Knoten.[30][31]

Experimentelle Quantenmodems [ edit ]

Ein Forschungsteam am Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching, Deutschland, hat Erfolg beim Transport von Quantendaten aus fliegenden und stabilen Qubits über Infrarotspektrumanpassung. Dies erfordert einen hoch entwickelten, unterkühlten Yttriumsilikatkristall, um Erbium in einer gespiegelten Umgebung einzuschließen, um eine Resonanzanpassung der Infrarotwellenlängen zu erreichen, die in Glasfasernetzwerken zu finden sind. Das Team hat erfolgreich demonstriert, dass das Gerät ohne Datenverlust funktioniert.[32]

Quantum Key Distributionsnetzwerke [ edit ]

Es wurden mehrere Testnetzwerke bereitgestellt, die auf die Aufgabe der Quantenschlüsselverteilung zugeschnitten sind, entweder über kurze Entfernungen (aber viele Benutzer verbinden) oder über größere Entfernungen, indem vertrauenswürdige Repeater verwendet werden. Diese Netzwerke erlauben noch nicht die Ende-zu-Ende-Übertragung von Qubits oder die Ende-zu-Ende-Erzeugung einer Verschränkung zwischen weit entfernten Knoten.

Große Quantennetzwerkprojekte und QKD-Protokolle implementiert

Quantennetzwerk Start BB84 BBM92 E91 DPS KUH DARPA Quantum Network 2001 Ja Nein Nein Nein Nein SECOCQ QKD Netzwerk in Wien 2003 Ja Ja Nein Nein Ja Tokio QKD Netzwerk 2009 Ja Ja Nein Ja Nein Hierarchisches Netzwerk in Wuhu, China 2009 Ja Nein Nein Nein Nein Genfer Raumnetz (SwissQuantum) 2010 Ja Nein Nein Nein Ja

DARPA Quantum Network Ab Anfang der 2000er Jahre begann DARPA mit dem Sponsoring eines Projekts zur Entwicklung eines Quantennetzwerks mit dem Ziel, eine sichere Kommunikation zu implementieren. Das DARPA Quantum Network wurde Ende 2003 im Labor von BBN Technologies in Betrieb genommen und 2004 um Knoten an den Universitäten Harvard und Boston erweitert. Das Netzwerk besteht aus mehreren physikalischen Schichten, einschließlich Glasfasern, die phasenmodulierte Laser und verschränkte Photonen sowie Freiraumverbindungen unterstützen.[33][34]

SECOQC Vienna QKD Netzwerk Von 2003 bis 2008 entwickelte das Projekt Secure Communication basierend auf Quantenkryptographie (SECOQC) ein kollaboratives Netzwerk zwischen einer Reihe europäischer Institutionen. Die für das SECOQC-Projekt ausgewählte Architektur ist eine vertrauenswürdige Repeater-Architektur, die aus Punkt-zu-Punkt-Quantenverbindungen zwischen Geräten besteht, bei denen die Fernkommunikation mithilfe von Repeatern erfolgt.[35]

Chinesisches hierarchisches Netzwerk Im Mai 2009 wurde in Wuhu, China, ein hierarchisches Quantennetzwerk demonstriert. Das hierarchische Netzwerk besteht aus einem Backbone-Netzwerk von vier Knoten, die eine Anzahl von Subnetzen verbinden. Die Backbone-Knoten sind über einen optischen Schaltquantenrouter verbunden. Knoten in jedem Subnetz sind ebenfalls über einen optischen Switch verbunden und über ein vertrauenswürdiges Relay mit dem Backbone-Netzwerk verbunden.[36]

Genfer Raumnetz (SwissQuantum) Das SwissQuantum-Netzwerk entwickelte und testete zwischen 2009 und 2011 Einrichtungen am CERN mit der Universität Genf und Hepia in Genf. Das SwissQuantum-Programm konzentrierte sich auf die Umstellung der im SECOQC und anderen Forschungsquantennetzwerken entwickelten Technologien auf eine Produktionsumgebung. Insbesondere die Integration in bestehende Telekommunikationsnetze sowie deren Zuverlässigkeit und Robustheit.[37]

Tokio QKD Netzwerk Im Jahr 2010 haben eine Reihe von Organisationen aus Japan und der Europäischen Union das QKD-Netzwerk in Tokio eingerichtet und getestet. Das Netzwerk in Tokio baut auf vorhandenen QKD-Technologien auf und übernimmt eine SECOQC-ähnliche Netzwerkarchitektur. Zum ersten Mal wurde die Einmal-Pad-Verschlüsselung mit ausreichend hohen Datenraten implementiert, um beliebte Endbenutzeranwendungen wie sichere Sprach- und Videokonferenzen zu unterstützen. Frühere große QKD-Netzwerke verwendeten typischerweise klassische Verschlüsselungsalgorithmen wie AES für die Datenübertragung mit hoher Rate und verwendeten die von Quanten abgeleiteten Schlüssel für Daten mit niedriger Rate oder zum regelmäßigen erneuten Eingeben der klassischen Verschlüsselungsalgorithmen.[38]

Beijing-Shanghai Trunk Line Im September 2017 wurde ein 2000 km langes Quantenschlüssel-Vertriebsnetz zwischen Peking und Shanghai, China, offiziell eröffnet. Diese Fernleitung wird als Rückgrat für Quantennetzwerke in Peking, Shanghai, Jinan in der Provinz Shandong und Hefei in der Provinz Anhui dienen. Während der Eröffnungsfeier haben zwei Mitarbeiter der Bank of Communications über das Netzwerk eine Transaktion von Shanghai nach Peking abgeschlossen. Die chinesische State Grid Corporation entwickelt derzeit eine Verwaltungsanwendung für den Link.[39] Die Leitung verwendet 32 ​​vertrauenswürdige Knoten als Repeater.[40] In Wuhan, der Hauptstadt der zentralchinesischen Provinz Hubei, wurde ebenfalls ein Quantentelekommunikationsnetz in Betrieb genommen, das an die Amtsleitung angeschlossen wird. Weitere ähnliche städtische Quantennetzwerke entlang des Jangtse sollen folgen.[41]

IQNET IQNET (Intelligent Quantum Networks and Technologies) wurde 2017 von Caltech und AT & T gegründet. Gemeinsam arbeiten sie mit dem Fermi National Accelerator Laboratory und dem Jet Propulsion Laboratory zusammen. [42] Im Dezember 2020 veröffentlichte IQNET in PRX Quantum eine Arbeit, die eine erfolgreiche Teleportation von Time-Bin-Qubits über 44 km Glasfaser berichtete [43]. Zum ersten Mal enthält die veröffentlichte Arbeit eine theoretische Modellierung des Versuchsaufbaus. Die beiden Prüfstände für die durchgeführten Messungen waren das Caltech Quantum Network und das Fermilab Quantum Network. Diese Forschung stellt einen wichtigen Schritt zur Schaffung eines Quanteninternets der Zukunft dar, das die Bereiche sichere Kommunikation, Datenspeicherung, Präzisionserfassung und Datenverarbeitung revolutionieren würde[44].

Siehe auch [ edit ]

Verweise [ edit ]

Drohnen bilden fliegendes Quantennetzwerk

Ein fliegendes Quantennetzwerk aus Drohnen soll abhörsichere Kommunikation auch ohne feste Infrastruktur möglich machen. Einen entsprechenden Prototyp, der das bisherige Problem begrenzter Reichweite löst, hat jetzt ein Team um Hua-Ying Liu von der Nanjing University entwickelt. Wie die Arbeitsgruppe in »Physical Review Letters« berichtet, besteht er aus zwei Drohnen, die verschränkte Photonen über eine Entfernung von einem Kilometer zwischen zwei Empfängern verteilten.

Dabei erzeugte eine der beiden Drohnen zwei miteinander verschränkte Photonen, während die zweite Drohne als Relaisstation wirkte. Die erste Drohne schickte eins der Photonen direkt an eine Basisstation, das zweite über den Umweg über die Relais-Drohne an die zweite Station. Das erhöht die Reichweite der Kommunikation drastisch – bisher konnten Drohnen die Photonen nur direkt über kurze Strecken versenden, denn die Quanteninformation geht über größere Distanzen durch Lichtstreuung schnell verloren.

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum Kompakt, Kryptografie – Sicher kommunizieren Ausgabe als PDF-Download (EUR 4,99)

Spektrum Kompakt-Archiv

Mit Hilfe verschränkter Photonen könnte man künftig beispielsweise abhörsicher Verschlüsselungscodes übertragen – sobald sich eine dritte Partei in den Datenstrom einhackt, fängt sie unweigerlich Lichtteilchen ab und löst so zuweilen die Verschränkung mit der Basisstation auf. Bisher braucht man für Quantenkommunikation über große Strecken entweder Glasfaserkabel oder Satelliten. Denn die Komponenten waren bisher nicht klein und robust genug für den eher wackeligen Einsatz an Bord einer Drohne. Außerdem ist es viel schwieriger, die verschränkten Photonen zuverlässig durch die Luft zu transferieren.

Im Mai 2020 demonstrierte das Team um Liu, dass die nötigen optischen Komponenten in einer handelsüblichen fliegenden Drohne Platz finden und diese verschränkte Photonen aus der Luft an zwei Basisstationen verteilen kann. Allerdings waren diese Stationen nur etwa 200 Meter weit voneinander entfernt. Im neuen Experiment stattete Liu die zweite Drohne mit einem optischen Empfänger aus, der die Photonen der ersten Drohne sammelt, wieder bündelt und an die Bodenstation weiterleitet. Die beiden Drohnen waren dabei 200 Meter voneinander und je 400 Meter von den Bodenstationen entfernt. Die Bodenstation empfing dabei vier Prozent der weitergeleiteten Photonen; für eine effektive Kommunikation muss dieser Wert noch verbessert werden, was Fachleute allerdings für machbar halten.