Der Wettlauf um ein neues Internet hat begonnen

Dr. Benjamin Lanyon übertrug Informationen über eine 50 Kilometer lange Glasfaser und nutzte dabei die Prinzipien der Quantenphysik.

Die Informationen in der Quantenphysik unterscheiden sich von den Dateneinheiten - den binären Ziffern -, die von Computern gespeichert und verarbeitet werden und die den Kern des heutigen World Wide Web bilden. Der Bereich der Quantenphysik umfasst die Eigenschaften und Wechselwirkungen von Molekülen, Atomen und sogar kleineren Teilchen wie Elektronen und Photonen.

Die Macht der Teilchen

Quantenbits oder "Qubits" versprechen eine sicherere Übertragung von Informationen, da die Teilchen durch den Akt der Beobachtung und Messung verändert werden. Das bedeutet, dass ein Abhörgerät nicht unentdeckt bleiben kann. Lanyon sagte, dass seine Arbeit das Quanteninternet innerhalb von Städten realisierbar erscheinen lässt, wonach größere Entfernungen zwischen den Städten das Ziel sein werden. Man könnte sich vorstellen, dass dies im Maßstab einer Großstadt geschieht", sagte er. Sein Durchbruch war Teil eines EU-Forschungsprojekts, das das Ziel eines Quanteninternets näherbringen soll.

Ein Schlüsselkonzept der Quantenphysik ist die Verschränkung. Wenn zwei Teilchen verschränkt sind, besitzen sie, egal wie weit sie im Raum voneinander entfernt sind, ähnliche Eigenschaften - zum Beispiel haben beide die gleiche Messung des sogenannten "Spins", einer Quantenversion der Richtung, in die sich die Teilchen drehen. Der Spin-Zustand der Teilchen ist nicht klar, bis sie beobachtet werden. Bis dahin befinden sie sich in mehreren Zuständen, der sogenannten Superposition. Wenn jedoch eines der Teilchen beobachtet wird, ist der Zustand beider Teilchen bekannt.

Möglichkeiten in Hülle und Fülle

Dies bietet vielfältige Möglichkeiten und ist nützlich für die sichere Kommunikation. Wenn jemand versucht, sich in eine Quantenübertragung zu hacken, würde er eine offensichtliche Spur seines Versuchs hinterlassen, indem er den Zustand eines beobachteten Teilchens verändert. "Wir können die Eigenschaften der Quantenverschränkung nutzen, um eine sichere Kommunikation zu erreichen, die wahrscheinlich selbst dann sicher ist, wenn der Angreifer über einen Quantencomputer verfügt", so Wehner.

Die sichere Kommunikation, die durch ein Quanteninternet ermöglicht wird, könnte ein viel breiteres Spektrum von Anwendungen eröffnen, die weit über die Grenzen des klassischen Internets hinausgehen.

• In der Medizin beispielsweise ermöglicht die Physik der Verschränkung beispielsweise eine Taktsynchronisation, die die Telechirurgie verbessern kann. “Wenn ich eine Operation an einem entfernten Knotenpunkt durchführen möchte, ist es wichtig, dass dies zeitlich sehr präzise abläuft, um keine Fehler zu machen", so Wehner.
• Die Astronomie ist ein weiterer potentieller Nutznießer. Teleskope, die weit entfernte Beobachtungen machen, könnten "ein Quanteninternet nutzen, um eine Verschränkung zwischen den Sensoren zu erzeugen und so ein viel besseres Bild des Himmels zu erhalten", so Wehner.
• Ein weiteres Beispiel könnten Geldautomaten sein. Wenn derzeit ein Geldautomat abstürzt, während eine Person Geld abhebt, geht der Automat davon aus, dass kein Geld geliefert wurde, während ein anderer Automat eine Geldabhebung registriert. Ein Quanteninternet könnte diese Diskrepanz beseitigen.

Viele Anwendungen des Quanteninternets werden wahrscheinlich erst nach der Entwicklung der Technologie sichtbar werden. "Es bietet eine ganze Reihe neuer Möglichkeiten für präzise Messungen von Raum und Zeit und für die Untersuchung der Funktionsweise der Welt und des Universums", so Lanyon.

Distanz-Test

Der Trick besteht nun darin, ein Quanteninternet zu skalieren, um viele Teilchen über große Entfernungen hinweg zu nutzen. Lanyon und sein Team haben auch gezeigt, dass nicht nur einzelne Teilchen miteinander kommunizieren können, sondern auch "Züge" von Teilchen - in diesem Fall Lichtteilchen, so genannte Photonen -, wodurch die Verschränkung zwischen Quantenknoten beschleunigt wird. "Wenn man nur ein Photon nach dem anderen schickt, muss man die Reisezeit abwarten", sagte er. Wenn man aber viele Photonen auf einmal zu Zügen verbinden kann, lässt sich die Verschränkungsrate zwischen Quantenknoten für die von uns gewünschten Entfernungen erhöhen.

Das ultimative Ziel besteht darin, Quantenknoten auf viel größere Entfernungen auszudehnen, vielleicht bis zu 500 Kilometer, um einen Prototypen eines Quanteninternets zu schaffen, das abgelegene Städte miteinander verbinden kann - ähnlich wie das klassische Internet auf verschiedene Knoten angewiesen ist, um ein globales Netzwerk zu schaffen.

Quantencomputer in Europa

Während ein Quanteninternet für spezielle Anwendungen bereits 2029 zur Verfügung stehen könnte, hüten sich die Experten davor, eine Prognose darüber abzugeben, wann eine vollständige Version für eine breite Palette von Anwendungen verfügbar sein wird. "Das ist eine sehr schwierige Frage", so Wehner. Während das QIA die Komponenten und Systeme des Quanteninternets weiterentwickelt, arbeitet Europa auch an der Entwicklung von Quantencomputern selbst.

Im Juni 2023 kündigte eine öffentlich-private Partnerschaft der EU - das European High Performance Computing Joint Undertaking - an, dass sechs Länder in Europa Quantencomputer beherbergen werden. Bei den Ländern handelt es sich um die Tschechische Republik, Frankreich, Deutschland, Italien, Polen und Spanien.

Damit soll sichergestellt werden, dass Europa bei der Revolution der Quantentechnologien an vorderster Front steht. Es wird erwartet, dass Quantencomputer eine noch nie dagewesene Rechenleistung haben und in vielen Bereichen eingesetzt werden können, unter anderem um die kryptografischen Algorithmen zu knacken, die den Großteil des derzeitigen Internetaustausches sichern.

Der Wettlauf um das Quanteninternet weltweit

Angesichts der Prognosen, dass die Hälfte der am häufigsten verwendeten Verschlüsselungssysteme bis zum Ende des Jahrzehnts geknackt werden, ist Europa nicht die einzige interessierte Partei. China und die USA haben in den letzten Jahren Fortschritte bei der Quanteninformatik und dem Quanteninternet gemacht. An der Infrastrukturfront unternimmt Europa weitere Schritte. Es wird eine integrierte Weltraum -und terrestrische Infrastruktur für sichere Kommunikation entwickelt - eine Art Baustein für das Quanteninternet. “Ich bin sehr stolz darauf, dass wir in vielen Bereichen weltweit führend sind", sagte Wehner.

In allen interessierten Ländern gibt es noch viel zu tun, aber die potenziellen Vorteile deuten darauf hin, dass weitere Fortschritte und Durchbrüche nicht lange auf sich warten lassen. “Die Entwicklung neuer Anwendungen für Quantennetze schreitet rasch voran", sagte Lanyon.

Die Forschung in diesem Artikel wurde von der EU finanziert. Mehr Informationen über die digitale Zukunft Europas.

Quelle: Horizon