Quanteninternet: Vorauseilender Erfindergeist

Quantencomputer sind ja schon fast ein alter Hut: Echte Quanten-Entrepreneure denken schon weiter an das Quanteninternet. Und setzen dabei „Quanten“ vor jedes zweite Wort.

Was ist die Killer-App, die alles übertrumpfende An­wen­dung für das Quanteninternet, lautet die Frage aus dem Online-Publikum. Wir sind zugeschaltet beim Launch des „Quanten-Netzwerk-Explorers“ von QuTech. Das Forschungsinstitut im niederländischen Delft arbeitet an einem Netzwerk, mit dem man Quanteninformationen abhörsicher austauschen kann. Irgendwann soll solch ein Quanteninternet Quantencomputer verbinden, in Europa und weltweit. Wojciech Kozlowski, einer der Quantennetzwerkingenieure, ant­wortet auf die Eingangsfrage: „Sie müssen uns helfen, die Killer-App zu entwickeln.“ Die Killer-App des guten alten Internets, das World Wide Web, kurz WWW, sei ja erst relativ spät gekommen.

Mit dem am Freitag gestarteten Quanten-Netzwerk-Explorer soll nun jeder schon mal ausprobieren können, wie so ein Quantennetzwerk funktionieren könnte. Bestenfalls sollen so Ideen zusammenkommen, wofür man es braucht. Sich dafür jetzt Anwendungen auszudenken ist so, als hätte man vor der Geburt des klassischen Internets im Jahr 1969 versucht, Zoom, E-Mail oder Onlinebanking zu erfinden.

Wo würde man relativ dazu den Entwicklungsstand des Quanteninternets ansiedeln? Laut Stephanie Wehner, Leiterin einer Quanteninternet-Forschungsgruppe von QuTech, in den Fünfziger- oder Sechzigerjahren. Die Hardwareprobleme eines Quantennetzwerks sind nämlich noch nicht gelöst.

Nun, bei den Quantencomputern hat das ja noch keinen Tech-Optimisten abgehalten, fantastische Anwendungen zu finden: den Straßenverkehr sollen sie organisieren, den Klimawandel simulieren, die Entwicklung von Medikamenten beschleunigen – auch wenn manchmal nicht klar ist, wieso Quantencomputer genau dafür geeignet sein sollten. Wenn das Quanteninternet auch nur ein wenig von dieser Imagination und diesem vorauseilenden Erfindergeist abbekommt, reicht es vielleicht für die Killer-App.

Globales Quantennetzwerk: Abhörsichere Quantenkommunikation über 1120 Kilometer

Mit Satellitenhilfe haben chinesische Forscher die Grundlage für abhörsichere Quantenkommunikation über mehr als 1000 Kilometer gelegt. Die Methode erweitere die Reichweite um mehr als das Zehnfache, schreibt das Team um Jian-Wei Pan von der Chinesischen Universität der Wissenschaften und Technik (USTC) in Hefei im Fachblatt „Nature“.

Die Quantenkryptographie verspricht eine aus physikalischen Gründen abhörsichere Kommunikation. Im Zentrum stehen verschränkte Photonen, aus denen Schlüssel generiert werden.

Verschränkung ist eine Eigenschaft der Quantenphysik: zwei Teilchen nehmen einen gemeinsamen Quantenzustand an und haben keine individuellen Eigenschaften mehr. Die Teilchen lassen sich dann auch über große Entfernungen trennen, ohne dass die Verschränkung aufgehoben wird.

Mit zwei verschränkten Lichtteilchen (Photonen) lässt sich ein abhörsicherer Schlüssel bei Sender und Empfänger erzeugen. Ein Lauscher könnte eines der verschränkten Photonen zwar abfangen. Die Manipulation und Messung von Quanteneigenschaften hebt den verschränkten Zustand jedoch auf. Der Lauschangriff könnte nicht unbemerkt bleiben, da sich die Verschränkung nicht wiederherstellen lässt.

Zehnfache Reichweite

Die Verteilung verschränkter Photonen ist allerdings eine Herausforderung, weil Lichtteilchen schnell absorbiert werden. Auf dem Boden liege die Reichweite für den Austausch des Quantenschlüssels bei rund 100 Kilometern, schreiben die Forscher. Mit sogenannten Quantenrepeatern lasse sich die Reichweite erhöhen, jeder Repeater stelle jedoch ein Sicherheitsrisiko für die verschlüsselte Kommunikation dar.

Mit dem Satelliten „Micius“ verteilte das Team nun erstmals Paare verschränkter Photonen auf zwei Bodenstationen, so dass diese direkt einen Quantenschlüssel miteinander austauschen konnten.

Die Forscher vernetzten die Bodenstationen in den chinesischen Orten Delhi (Provinz Qinghai) und Nanshan (Provinz Xinjiang). Die beiden Stationen liegen rund 1120 Kilometer Luftlinie voneinander entfernt und beide oberhalb von 2000 Metern. Die dünnere Luft erlaubt dabei eine bessere Kommunikation mit dem Satelliten.

In diesem Versuch erreichte die Datenrate für die Schlüsselverteilung nur 0,12 Bit pro Sekunde. Es dauerte also rund acht Sekunden, um ein einzelnes Bit auszutauschen. Die Helligkeit der Quelle für verschränkte Photonen auf dem Satelliten lasse sich aber noch um rund das Hundertfache steigern, betonen die Wissenschaftler, so dass eine Datenrate von einigen Dutzend Bit pro Sekunde für den Schlüsselaustausch realistisch scheine.

Das ist zwar weit entfernt von der Megabit-Kommunikation normaler Datennetzwerke, betrifft jedoch nur den Austausch des geheimen Quantenschlüssels, nicht die eigentliche Kommunikation.

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Die Arbeit verzehnfache die Reichweite des direkten Quantenschlüsselaustauschs unter Praxisbedingungen von rund 100 auf mehr als 1000 Kilometer und stelle damit einen wichtigen Schritt zu einer robusten Quantenkryptographie über große Distanzen dar, betonen die Forscher. (dpa)

Kommunikation im Quantennetzwerk

Garching – Unsere heutige Kommunikation wäre ohne Netzwerke, die sich um die ganze Welt spannen, undenkbar. Will man in Zukunft Quantencomputer miteinander verbinden oder abhörsichere Botschaften hin- und herschicken, bedarf es allerdings neuartiger Netzwerke mit fundamental anderen Eigenschaften. Forschern des Max-Planck-Instituts für Quantenoptik in Garching ist es jetzt gelungen, ein erstes einfaches Quantennetzwerk mit zwei Knotenpunkten zu entwickeln. Die Informationen werden darin mit Photonen übertragen, welche den Quantenzustand eines Rubidiumatoms an ein anderes vermitteln.

Da der Datenaustausch nur funktioniert, wenn Atom und Photon stark genug miteinander wechselwirken, fixierten die Wissenschaftler die Rubidiumatome mit Laserstrahlen zwischen zwei hoch reflektierenden Spiegeln. Die Spiegel bilden einen Resonator: Wird das Atom zur Aussendung eines Photons angeregt, dann reflektieren sie das Lichtquant viele tausend Mal und die Wechselwirkung nimmt zu. Bei diesem Vorgang wird der Quantenzustand des Atoms auf das Photon abgebildet, indem dieses entsprechend polarisiert wird. Die Quanteninformation wird also in der Richtung kodiert, in die das Licht schwingt.

Anschließend wurde das Photon durch ein sechzig Meter langes Glasfaserkabel zum zweiten Knoten des Netzwerks übertragen, der sich in einem anderen Laborraum befand. Wie auch der Senderknoten (Knoten A) besteht der Empfängerknoten (Knoten B) aus einem Rubidiumatom in einem optischen Resonator. Das Atom absorbiert das Photon und nimmt dadurch den Quantenzustand des Atoms aus Knoten A an. Knoten B könnte die übertragene Quanteninformation nun speichern oder zurück an Knoten A senden. Um die Information auszulesen, muss sie erneut auf ein Photon übertragen werden. „Dieser Ansatz für die Realisierung eines Quantennetzwerks ist vor allem deshalb so erfolgsversprechend, weil er klare Perspektiven für seine Erweiterbarkeit bietet“, sagt Gerhard Rempe vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik.

Außerdem konnte das Team eine quantenmechanische Verschränkung der beiden Quantenknoten bis zu 100 Mikrosekunden lang aufrecht erhalten. Verschränkung bedeutet, dass die Quantenzustände zweier Objekte selbst über große Distanzen eng miteinander korreliert sind. Im Versuch wird dieses quantenmechanische Phänomen ebenfalls durch das Übertragen eines Photons erreicht, dessen Polarisationszustand mit dem Quantenzustand des emittierenden Atoms verschränkt ist. „Die Verschränkung zweier Systeme über große Distanzen ist schon für sich genommen ein faszinierendes quantenmechanisches Phänomen“, erklärt Rempes Kollegin Olivia Meyer-Streng. „Sie kann aber im Prinzip auch als Ressource genutzt werden, um Quantenzustände zu teleportieren. Dies wird eines Tages nicht nur die Quantenkommunikation über sehr große Entfernungen ermöglichen, sondern vielleicht sogar ein ganzes Quanteninternet.“