Quanteninternet auf Basis bestehender Netzinfrastruktur

„Die Arbeit zeigt, wie ein Quanteninternetprotokoll aussehen kann und demonstriert es auf einem Campus-weiten Netzwerk. In vielerlei Hinsicht wird ein Quanteninternetprotokoll auch unseren klassischen Internetprotokollen ähneln. Informationen werden in Paketen gebündelt und ein Header gibt Informationen, um was für ein Paket es sich handelt, wo es herkommt, und wo es hingehen soll. In eleganter Weise erweitern hier die Autoren das Protokoll, in dem sie einen klassischen Header mit einem Quantenpaket kombinieren und dann entlang derselben optischen Fasern durch das Netzwerk schicken. So rückt das Quanteninternet einen wichtigen Schritt weiter Richtung Realität.“

„Ein Quantennetzwerk kann viele Vorteile bieten. Ein wichtiges Gebiet ist die Quantenkommunikation, mit deren Hilfe sich Informationen abhörsicher übertragen lassen können. Solche Systeme sind mittlerweile sogar schon kommerziell erwerblich und funktionieren über Distanzen bis zu etwa 100 Kilometern. Noch spannender wird es aber, wenn ein Quantennetzwerk dazu benutzt wird, um Quantennetzwerkknoten zu verbinden wie zum Beispiel Quantencomputer oder Quantensensoren. Dies würde dann völlig neue Möglichkeiten eröffnen wie zum Beispiel ‚Quanten-Cloud-Computing‘. Man geht mittlerweile davon aus, dass ein modularer Ansatz verwendet werden muss, um einen Quantencomputer der notwendigen Größe zu bauen. Darin werden kleinere Quantenprozessoren durch ein Quantennetzwerk zu einem großen Quantencomputer zusammengeschlossen.“

„Die Autoren demonstrieren, dass sie ihr Quantenpaket plus klassischen Header über dieselben optischen Fasern und Router schicken können. In einem klassischen Netzwerk gibt es allerdings viele weitere Komponenten, die fundamental nicht mit Quantensignalen kompatibel sind. Dazu gehören zum Beispiel Signalverstärker, die benutzt werden, um längere Distanzen zu überwinden. Diese können aufgrund des ‚No-Cloning-Theorems‘ (quantenphysikalisches Gesetz, nachdem ein beliebiger unbekannter Quantenzustand nicht kopiert werden kann; Anm. d. Red.) nicht für Quantensignale funktionieren. Insofern denke ich, dass ein Quantennetzwerk immer eine eigene Infrastruktur benötigen wird. Natürlich möchte man dabei so viel wie möglich der bestehenden Infrastruktur nutzen und hierfür zeigen die Autoren einen wichtigen Schritt.“

„Für mich ist ein Quanteninternet erst dann richtig interessant, wenn es Quantenprozessoren verbindet. Das ist eigentlich genau so wie bei unserem heutigen Internet, das ja ohne Computer ziemlich langweilig wäre. Hierfür braucht es allerdings noch viel Forschung und technologische Entwicklungen. Es ist ein sehr aktives Feld mit vielen Forschungsgruppen und auch Firmen, die hier die Zukunft sehen.“

„Die Studie verbindet erstmals das Übertragen des klassischen Signals mit den Metainformation und der Quanteninformation in einem kompakten Datenpaket. Zuvor waren diese Pakete immer separat gesendet worden oder oft nur das Quantensignal. Die Arbeit ist von sehr wichtiger Bedeutung, um die Quantenwelt mit der klassischen Infrastruktur zu verbinden. Es steckt keine neue Physik dahinter und die verwendeten photonisch-integrierten Schaltkreise (PICs) sind keine Neuheit. Aber die Autoren haben zwei schwierige Ingenieursprobleme auf einen Streich elegant gelöst: Wie kann ich sicher sein, dass meine Quanteninformation an den richtigen Adressaten geschickt wird und nicht verloren geht? Die Autoren lösen dies durch das Einbetten der Quanteninformation zwischen klassischen Pulsen. Gleichzeitig konnten die Autoren klassische Pulse in diesen Datenpaketen nutzen, um die Übertragung des Quantensignals zu stabilisieren, welche durch Temperaturschwankungen und Vibrationen in den Fasern hervorgerufen wird. Die verwendete Methode ist nicht neu, aber wie diese implementiert wurde schon.“

„Die Arbeit zeigt schön, wie hybride Ansätze neue Lösungen hervorbringen. Ein großes Manko sind leider die geringen Übertragungsraten. Ein hybrides Datenpaket ist 250 Millisekunden lang. Um die Datendichte zu erhöhen, müssten viel bessere Filter und DEMUX-Systeme entwickelt werden (Demultiplexer (DEMUX) schalten Eingangssignal an einen bestimmten Ausgang; Anm. d. Red.). Hierfür ist weitere intensive Forschung im Gebiet von photonisch-integrierten Schaltkreisen für Quantentechnologien nötig. Aber es ist eine sehr wichtige Proof-of-Concept-Studie, welche sehr schön Physik mit angewandter Netzwerkarchitekturen verbindet.“

„Zukünftige Technologien wie leistungsstarke Quantencomputer könnten unsere heutigen Verschlüsselungsverfahren brechen. Quantenkommunikation hingegen gilt als zukunftssichere Technologie: Sie ermöglicht abhörsichere Kommunikation – unabhängig von künftigen technologischen Entwicklungen. Darüber hinaus kann ein Quantennetzwerk Quantengeräte miteinander verbinden und so den Austausch von Quanteninformation zwischen neuartigen Sensoren oder Quantencomputern ermöglichen. Ohne Quantenkommunikation blieben diese Geräte isolierte Insellösungen und würden die Vernetzbarkeit vermissen, auf der ihre klassischen Gegenstücke längst aufbauen.“

Auf die Frage, inwiefern sich ein Quanteninternet nahtlos in bestehende Kommunikationsinfrastrukturen integrieren ließe:
„Nahtlos wird das nie funktionieren, allein die Verluste in kommerziellen Glasfasernetzen machen den Aufbau eines Quantennetzwerkes sehr schwer. Zudem sind die Datenübertragungsraten viel zu klein und die Pakete zeitlich zu lang für unsere jetzige Infrastruktur. Natürlich erleichtert die Verwendung von PIC die spätere Integration in kompakte kommerzielle Geräte. Ohne PIC wäre das Skalieren unmöglich.“

„Für das Quanteninternet und auch schon für große Quantennetzwerke werden Quantenrepeater benötigt. Die Schlüsseltechnologie der kommenden Jahre! Denn ohne Quantenrepeater wird es keine Möglichkeit geben Quanteninformation über lange Strecken zu übertragen. Der Quantenrepeater ist unerlässlich, genauso wie die Verstärker in klassischen Netzwerken. Leider ist dessen Realisierung mindestens genauso kompliziert, wie die Realisierung von effizienten Quantencomputern.“

„Es handelt sich bei der vorliegenden Studie um eine Entwicklungsarbeit. Die Forschenden zeigen eindrucksvoll, wie mehrere einzelne Bestandteile der Technik im Rahmen eines Demonstrator-Experimentes kombiniert werden können. Neu ist, dass hier klassische und Quantensignale auf einem Transmitterchip als hybrides Datenpaket zusammengeschaltet wurden. Das zu realisieren ist nicht einfach, weil klassische Signale mit tausenden Photonen pro übertragenem Bit eine hohe und Quantensignale mit nur einem Photon eine niedrige Intensität haben. Beide Signale auf einem Chip zu kombinieren und über ein Glasfaserkabel zu senden, ist ein Erfolg. Auch die Methode für Fehlerkorrektur scheint gut gemacht zu sein. Da gab es in der Vergangenheit den Ansatz, die verschränkten Photonen – also die Quanteninformation – direkt zu überprüfen. Das ist allerdings sehr aufwendig. In der vorliegenden Arbeit messen die Forschenden das klassische Licht und schließen dadurch auf mögliche Fehler. Mit der Fehlerkorrektur werden Fehlerraten von unter drei Prozent erzielt. Für die Quantenkommunikation sind Fehlerraten bis zu fünf Prozent üblicherweise akzeptabel, um Sicherheit zu garantieren.“

„Die Forschenden zeigen einen ersten Demonstrator, der zwar gut ist, aber noch verbessert werden kann. Ein nächster Schritt könnte ein Transmitterchip sein, der höhere Übertragungsraten ermöglicht. Dies ist durch eine schnellere Taktrate des Chips möglich – aktuell betrug diese nämlich nur zehn Kilohertz. Zudem ist es möglich, in einer Glasfaser auf mehreren Wellenlängenkanälen gleichzeitig zu kommunizieren – die Studie benutzte hier nur zwei der 72 verfügbaren Telekommunikationskanäle. Um das System kompakter zu machen, könnte der Laser, der die Photonen für die klassische Übertragung und für die Erzeugung von verschränkten Photonen zur Verfügung stellt, auf den Chip integriert werden. Eine große Herausforderung ist außerdem das Signaldetektionssystem, welches in der aktuellen Studie nicht auf einem Chip implementiert ist, sondern auf Forschungslabortechnik basiert und zudem supraleitende Detektoren benötigt, welche auf etwa minus 270 Grad Celsius gekühlt werden müssen. Es scheint unrealistisch, dass diese Detektionstechnik für eine breite Nutzendenschaft verfügbar gemacht werden kann. Es ist aber vorstellbar, eine Art zentrale Detektorstation zu entwickeln, zu der alle Nutzer die Photonen zur Auslese senden werden – ähnlich wie ein Datenzentrum, auf das alle zugreifen können und somit die Kosten teilen.“

„Eine Eigenschaft der klassischen Informationsübertragung im Internet ist, dass wir nicht feststellen können, ob eine Leitung gerade abgehört wird. Deshalb werden Nachrichten und Daten verschlüsselt versendet. Allerdings stellt dies nur eine Verschiebung des Problems dar, weil wir uns nicht sicher sein können, ob wir abgehört werden, wenn wir den Übertragungsschlüssel erstellen. Durch Quantenkommunikation ändert sich dies: Hier können Schlüssel nun so ausgetauscht werden, dass die Beteiligten prüfen können, ob ein Außenstehender den Schlüssel abgehört hat oder nicht. Das ermöglicht mathematisch nachweisbar eine abhörsichere Kommunikation. Stand heute ist diese Strategie immer noch die Einzige, welche nachweisbar sicher ist.“

„Im Rahmen der Forschung kann ein Quanteninternet wichtige Fortschritte ermöglichen, zum Beispiel zur besseren Synchronisation von Atomuhren oder um besser vernetzte Teleskoparrays zu bauen. Außerdem ist ein Quanteninternet unabdingbar, um verschiedene Quantencomputersysteme miteinander zu verschalten.“

„Für die breite Bevölkerung hat sich das Quanteninternet aber heute noch nicht durchgesetzt, was teilweise an den hohen Investitionskosten liegt. Außerdem hat für viele Internetbenutzer die Sicherheit ihrer Daten noch keine Priorität. Vielleicht müssen für den Durchbruch des Quanteninternets erst Quantencomputer fertig entwickelt werden, die im großen Stil Kryptographie-Verfahren aushebeln und Daten stehlen. Die Frage ist, ob wir so lange warten wollen oder nicht jetzt schon vorsorgen sollten.“

„Die Quantentechnologie, die die Forschenden getestet haben, ist für Quanteninformation nur im Bereich von einer Übertragungsstrecke von etwa 100 Kilometern sicher nutzbar. Das liegt daran, dass Photonen auf dem Weg durch das Glasfaserkabel verloren gehen und dann die Information nicht am Endpunkt ankommt. Um dem entgegenzuwirken, gibt es zwei Möglichkeiten: Einmal kann man auf der Übertragungsstrecke Server aufbauen, die die Daten auslesen und dann weiterschicken. Dafür müsste aber sichergestellt sein, dass diese Server wirklich vertrauenswürdig sind und niemand von außen darauf zugreift. Ein schwieriges Unterfangen, insbesondere bei internationalen Verbindungen. Die zweite Möglichkeit sind Quantenrepeater. Die machen im Endeffekt etwas ähnliches wie die vertrauenswürdigen Server, nur dass hier jeder Nutzer jederzeit überprüfen kann, ob mathematisch nachweislich niemand auf die Daten zugegriffen hat. Technisch wurden Quantenrepeater schon demonstriert, auch auf kurzen Strecken über wenige zehn Kilometer. Allerdings sind die Bitraten im Bereich von einigen zehn Bits pro Sekunde noch sehr langsam und der technische Aufwand sehr hoch. Die Vereinfachung, Chip-Integration und Skalierbarkeit sind bisher noch Gegenstand der Forschung und Entwicklung.“