Hier ist, was das Quantum Internet zu bieten hat.

Physiker sagen, dass dieses futuristische, hochsichere Netzwerk nützlich sein könnte, lange bevor es technologische Reife erreicht.

Ein zukünftiges „Quanteninternet“ könnte lange vor der technologischen Reife zum Einsatz kommen, prognostiziert ein Team von Physikern.

Ein solches Netzwerk, das die einzigartigen Effekte der Quantenphysik nutzt, würde sich grundlegend von dem klassischen Internet, das wir heute nutzen, unterscheiden, und Forschergruppen auf der ganzen Welt arbeiten bereits in frühen Entwicklungsstadien. Die ersten Stufen versprechen praktisch unzerbrechliche Privatsphäre und Sicherheit in der Kommunikation; ein ausgereifteres Netzwerk könnte eine Reihe von Anwendungen für die Wissenschaft beinhalten, die mit klassischen Systemen nicht möglich sind, einschließlich Quantensensoren, die Gravitationswellen erkennen können.

Die Quantendifferenz
Die Forscher argumentieren, dass die Technologie, die das bestehende Internet ergänzen und nicht ersetzen würde, sich letztendlich sowohl bei großen Nutzern, wie beispielsweise Universitätslabors, als auch bei einzelnen Verbrauchern durchsetzen könnte, obwohl sie keinen Zeitrahmen vorgibt.

Dies steht im Gegensatz zu Quantencomputern, sagen sie – eine weitere futuristische Technologie, an der Physiker fieberhaft arbeiten und die darauf abzielt, Maschinen zu bauen, die klassische Computer übertreffen können. „Im Bereich der Quantenberechnung ist es viel mehr oder gar nichts“, sagt die theoretische Physikerin Stephanie Wehner, die die Arbeit gemeinsam mit ihren Delfter Kollegen David Elkouss und Ronald Hanson geschrieben hat.

Stefanie Barz, Quantenphysikerin an der Universität Stuttgart in Deutschland, stimmt zu. Es ist schwer vorherzusagen, welche Technologie an erster Stelle steht, sagen sie und andere, ein weit verbreitetes Quanteninternet oder nützliche Quantencomputer. Aber Quantennetzwerke haben einen großen Vorteil, sagt Barz, denn „ein solches Netzwerk kann Schritt für Schritt aufgebaut werden, und in jedem Schritt können unterschiedliche Funktionen hinzugefügt werden“.

Der Fahrplan zielt auch darauf ab, eine gemeinsame Sprache für einen Bereich zu schaffen, in dem Forscher mit unterschiedlichem Hintergrund tätig sind, einschließlich Informationstechnologie, Informatik, Ingenieurwesen und Physik. „Die Leute sprechen von Quantennetzwerken, um sehr unterschiedliche Dinge zu meinen“, sagt Hanson, ein Experimentalphysiker, der den Vorstoß der Delft-Gruppe zum Aufbau einer Quanten-Internet-Demonstration, die vier niederländische Städte verbinden wird, mit anführt.

Rodney Van Meter, ein Quanten-Netzwerkingenieur an der Keio University in Tokio, sagt, dass das Papier dazu beiträgt, die Ziele des Feldes zu klären. „Es gibt uns ein neues Vokabular, um zu verstehen, was wir entwickeln.“ Und die Art und Weise, wie das Dokument die Anwendungen beschreibt, kann Forschern auch helfen, ihre Vorschläge potenziellen Investoren zu erläutern, sagt er. „Mit dieser Roadmap können wir dieses Gespräch führen.“

Sechs Etappen
Quantennetzwerke und Quantencomputer teilen viele Konzepte und Techniken. Beide nutzen Phänomene, die in der klassischen Physik kein Analogon haben: So kann sich beispielsweise ein Quantenteilchen wie ein Elektron oder ein Photon in einem von zwei genau definierten Zuständen des Spinnens befinden, im Uhrzeigersinn oder gegen den Uhrzeigersinn – aber auch in einer gleichzeitigen Kombination beider, einer sogenannten Überlagerung. Und zwei Teilchen können „verstrickt“ sein, in denen sie einen gemeinsamen Quantenzustand teilen. Dadurch wirken sie scheinbar koordiniert (z.B. gegenläufiges Drehen), auch wenn sie durch große Entfernungen getrennt sind.

Das Delfter Team hat sechs Stufen für die Entwicklung des Quanteninternets entworfen.

Die erste – von der sie sagen, dass sie eine Art Stufe 0 ist, weil sie kein echtes Quanten-Internet beschreibt – ist ein Netzwerk, das es den Nutzern ermöglicht, einen gemeinsamen Verschlüsselungscode zu erstellen, damit sie ihre (klassischen) Daten sicher teilen können. Die Quantenphysik findet nur hinter den Kulissen statt: Der Dienstleister verwendet sie zur Erstellung des Schlüssels. Aber der Anbieter kennt auch den Schlüssel, was bedeutet, dass die Nutzer ihm vertrauen müssen. Ein solches Netz gibt es bereits, vor allem in China, wo es sich über rund 2.000 Kilometer erstreckt und Großstädte wie Peking und Shanghai verbindet.

In Stufe 1 beginnen die Nutzer mit dem Quantenspiel, in dem ein Sender Quantenzustände erzeugt, typischerweise für Photonen. Diese werden an einen Empfänger gesendet, entweder entlang einer Glasfaser oder durch einen Laserpuls, der über den offenen Raum gestrahlt wird. In dieser Phase können zwei beliebige Benutzer einen privaten Verschlüsselungscode erstellen, den nur sie kennen.

Die Technologie wird es den Benutzern auch ermöglichen, ein Quantenpasswort zu übermitteln, z.B. an einen Automaten wie einen Geldautomaten. Die Maschine kann das Passwort überprüfen, ohne zu wissen, was es ist, oder es stehlen zu können.

Stufe 1 wurde nicht im großen Stil ausprobiert, ist aber in Kleinstädten bereits technologisch machbar, sagt Wehner, obwohl sie sehr langsam wäre. Eine Gruppe unter der Leitung von Pan Jian-Wei von der University of Science and Technology of China in Hefei stellte 2017 den Weltrekord für diese Art der Übertragung auf, als sie zwei Labors mit einem Satelliten über mehr als 1.200 Kilometer voneinander entfernt verband.

In Stufe 2 wird das Quanteninternet das mächtige Phänomen der Verstrickung nutzen. Sein erstes Ziel wird es sein, die Quantenverschlüsselung im Wesentlichen unknackbar zu machen. Die meisten der Techniken, die diese Phase erfordert, existieren bereits, zumindest als rudimentäre Laborvorführungen.

Die Stufen 3 bis 5 ermöglichen es erstmals, dass zwei beliebige Benutzer Quantenbits oder Qubits speichern und austauschen können. Dies sind Quanteninformationseinheiten, ähnlich den klassischen 1s und 0s, aber sie können sich in einer Überlagerung von 1 und 0 gleichzeitig befinden. Qubits sind auch die Grundlage für die Quantenberechnung. (Eine Reihe von Labors – sowohl in der Wissenschaft als auch in großen Unternehmen wie IBM oder Google – haben immer komplexere Quantencomputer gebaut; die fortschrittlichsten haben Speicher, die ein paar Dutzend Quantenbits aufnehmen können.)

Um in die Endphase zu gelangen, sind mehrere Durchbrüche erforderlich. Hansons Team war an vorderster Front bei diesen Bemühungen und gehört zu denen, die daran arbeiten, den ersten „Quantenrepeater“ zu bauen – ein Gerät, das helfen kann, Qubits über größere und größere Entfernungen zu verfangen.

Uhren und Stimmzettel
Die ersten Anwender der höchstrangigen Netzwerke werden wahrscheinlich Wissenschaftler selbst sein. Die Labore können sich mit den ersten fortschrittlichen Quantencomputern fernbedienen oder solche Maschinen miteinander verbinden, um als ein einziger Computer zu arbeiten.

Mit diesen Systemen könnten sie dann Experimente durchführen, die mit klassischen Maschinen nicht möglich sind, z.B. die Simulation der Quantenphysik von Molekülen oder Materialien. Netzwerke von Quantenuhren könnten die Präzision von Messungen für Phänomene wie Gravitationswellen drastisch erhöhen, und entfernte optische Teleskope könnten ihre Qubits miteinander verbinden, um Bilder zu schärfen.

Aber es könnte auch Anwendungen außerhalb der Wissenschaft geben. Bei einer Wahl könnte ein Quanteninternet der Stufe 5 den Wählern ermöglichen, nicht nur einen Kandidaten, sondern eine „Überlagerung“ von Kandidaten auszuwählen, zu der beispielsweise ihre zweitliebste Option gehört. „Quantenwähler“, sagt die Physikerin Nicole Yunger Halpern am Harvard-Smithsonian Center for Astrophysics in Cambridge, Massachusetts, könnte „strategische Wahlsysteme nutzen, die klassische Wähler nicht umsetzen können“. Und Quantentechniken könnten großen Gruppen helfen, sich zu koordinieren und einen Konsens zu erzielen, zum Beispiel bei der Validierung elektronischer Währungen wie Bitcoin.

Liang Jiang, ein theoretischer Physiker an der Yale University in New Haven, Connecticut, sagt, dass die Roadmap für die breitere Quantengemeinschaft nützlich sein wird, aber dass sie sich hauptsächlich auf die Arten von Technologien konzentriert, die die Delft-Gruppe übernommen hat. So deuten beispielsweise theoretische Arbeiten, die im vergangenen Jahr von Jiang und Mitarbeitern veröffentlicht wurden, darauf hin, dass kleine oder mittlere Netzwerke auf Mikrowellen und nicht auf Laserpulsen basieren könnten.

Die Meinungen der Forscher sind sich nicht einig, ob diese Anwendungen wirklich nützlich sein werden, oder ob ein Quanten-Internet jemals so ausgereift sein wird, dass es sie breit verfügbar macht. Aber einige sind optimistisch. „Ich habe keinen Zweifel daran, dass es sie irgendwann geben wird“, sagt Wehner. Aber sie fügt hinzu: „Ich denke, es wird lange dauern“.

Dieser Artikel wird mit Genehmigung reproduziert und wurde erstmals am 23. Oktober 2018 veröffentlicht.

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