QUANTENINTERNET

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Was?
Das Quanteninternet ist eine Vision für ein globales Netzwerk, das Quantengeräte über große Entfernungen miteinander verbindet – nicht um Daten schneller zu übertragen, sondern um etwas grundlegend Neues zu ermöglichen: das Teilen von Quantenzuständen zwischen entfernten Orten. Die entscheidende Ressource dabei ist Verschränkung: zwei Teilchen, die quantenmechanisch so verbunden sind, dass eine Messung an einem sofort den Zustand des anderen festlegt – unabhängig von der Entfernung. Ein Quanteninternet würde Verschränkung zuverlässig über große Distanzen erzeugen und verteilen. Das ermöglicht Anwendungen, die mit klassischer Kommunikation unerreichbar sind:
abhörsichere Netzwerke, Vernetzung entfernter Quantencomputer zu leistungsfähigeren Verbünden und hochpräzise Sensornetzwerke z.B. für Astronomie oder Erdvermessung.

Wofür?
Quantencomputer sind heute isolierte Maschinen – ähnlich wie Großrechner vor dem Internet. Ein Quanteninternet könnte sie verbinden und ihre Rechenleistung bündeln, sodass viele kleinere Systeme gemeinsam Aufgaben lösen, die keines allein bewältigen könnte. In der Kommunikation würde es abhörsichere Netzwerke über beliebige Entfernungen ermöglichen – eine Erweiterung des Quantenschlüsselaustauschs (QKD) von Einzelverbindungen zu echten Netzen. Das „blinde Quantenrechnen“ verbindet diese beiden Aspekte: beispielsweise könnte eine Klinik sensible Patientendaten über ein abhörsicheres Netz auf einem entfernten Quantencomputer auswerten lassen – ohne dass der Betreiber erfährt, welche Berechnung durchgeführt wird. Auch die Sensorik könnte durch die Vernetzung weit verteilter Quantensensoren profitieren und etwa die zentimetergenaue Erdvermessung ermöglichen.

Wie?
Quantenzustände lassen sich nicht kopieren – und daher auch nicht wie klassische Signale unterwegs verstärken. Quantenrepeater lösen dieses Problem. Sie teilen die Strecke in kurze Abschnitte: Zwischen benachbarten Stationen wird jeweils ein verschränktes Teilchenpaar erzeugt. Der entscheidende Schritt: An jeder Zwischenstation werden die dort anliegenden Teilchen gemeinsam gemessen – nicht einzeln, sondern in ihrer Beziehung zueinander. Weil jedes von ihnen bereits mit einem weiter entfernten Partner verschränkt war, überträgt sich die Verschränkung auf die äußeren Teilchen. So wächst die Verschränkung schrittweise über die gesamte Distanz, bis Sender und Empfänger ein Paar teilen. Über dieses geteilte Paar lässt sich dann ein Quantenzustand übertragen – ein Vorgang namens Quantenteleportation.

Ausblick:
Erste Schritte sind gemacht: 2021 demonstrierte ein Forschungsteam in den Niederlanden die Verschränkung dreier Netzwerkknoten – das erste rudimentäre Quantennetzwerk. Der Weg zu einem flächendeckenden Netz ist aber noch weit. Die größte Hürde sind zuverlässige Quantenrepeater: Heutige Prototypen funktionieren nur unter Laborbedingungen, und Quantenspeicher, die an den Knoten verschränkte Zustände zwischenlagern müssen, verlieren ihre Information noch zu schnell. Hinzu kommt die Notwendigkeit gemeinsamer Schnittstellen zwischen Quantengeräten – vergleichbar mit IP-Protokollen, die im Internet den Austausch zwischen beliebigen Geräten ermöglichen. Ein globales Quanteninternet bleibt also vorerst eine Vision – aber eine, die Quantentechnologien so grundlegend vernetzen könnte, wie es das klassische Internet für die digitale Welt getan hat.

Diese Inhalte stammen aus den "Technologie-Steckbriefen", die das Fraunhofer ISI in Modul 1entwickelt hat.