Das Quanteninternet nimmt Gestalt an

| Autor / Redakteur: Ralf Krauter und Frank Grotelüschen* / Julia Schmidt

Ein Quanteninternet soll künftig Quantencomputer wie diese Prototype von IBM vernetzen. Eine weitere wichtige Anwendung: absolut abhörsichere Kommunikation mittels Quantenkryptographie
Ein Quanteninternet soll künftig Quantencomputer wie diese Prototype von IBM vernetzen. Eine weitere wichtige Anwendung: absolut abhörsichere Kommunikation mittels Quantenkryptographie (Bild: IBM Research)

Regierungen und Unternehmen rund um den Globus haben ein erklärtes Ziel: ein weltumspannendes Quanteninternet für absolut abhörsichere Kommunikation. Bei der Entwicklung dieser Zukunftstechnologien und dem Aufbau der nötigen Infrastruktur hat China aktuell die Nase vorn, doch die Europäer holen auf.

Anfang Juli gab es in München eine Fachtagung zur Quantentechnologie. Knapp 150 Experten aus Forschung und Industrie diskutierten dort über mutmaßliche Schlüsseltechnologien für das 21. Jahrhundert. Es ging um die Frage, wie und wann Quantencomputer, Quantenkryptographie und Quanteninternet unseren Alltag verändern werden. Neben führenden Vertretern von IBM, Intel und Google hielten auch Max-Planck- und Universitätsforscher Vorträge zum Stand der Entwicklung. Darunter auch der Italiener Prof. Tommaso Calarco, Direktor des Instituts für komplexe Quantensysteme der Universität Ulm.

"Ich forsche im Bereich der Quantenkontrolle, also wie man Quantentechnologien bauen kann. Ich bin ein Quantenphysiker, ein Theoretiker. Und darüber hinaus koordiniere ich auch die Aktivitäten der wissenschaftlichen Community auf EU-Ebene zum Thema Quantentechnologie, insbesondere im Rahmen des Quanten-Flagschiffs."

Milliardenschweres EU-Forschungsprojekt

Das Quanten-Flagschiff-Projekt, das Tommaso Calarco initiiert hat, ist ein milliardenschweres Forschungsprojekt, mit dem die EU-Kommission Europas Forschern und Firmen, den Rücken stärken will. Denn die USA, China und Japan zum Beispiel, fördern die Entwicklung neuer Quantentechnologien schon seit Jahren massiv. Eines der ersten konkreten Ziele, auf das man im ‚Quantentechnologie-Flagschiff‘ hinarbeite, sagt Tommaso Calarco, seien absolut abhörsichere Kommunikationskanäle via Internet oder Satellit, mittels so genannter Quantenkryptographie.

Die Vision der Forscher

"Die sichere Kommunikation mittels einzelnen Photonen, die nicht abgehört werden können. Weil das sind ja Quanten. Also ein Quant kann nicht in zwei Teile geteilt werden. Das heißt, wenn das ankommt, können wir verifizieren, die Kommunikation ist angekommen."

Die Vision der Forscher: Das heutige Internet so umzubauen, dass über seine Glasfaserkabel auch Quanteninformation ausgetauscht werden kann. Und zwar derart, dass absolut niemand eine Chance hat, die übermittelten Daten abzugreifen. Security built by Nature – die bizarren Gesetze der Quantenwelt machen’s möglich.

Quantenkommunikation und klassische Kommunikation

Mit Quantencomputern, die konventionelle Superrechner alt aussehen lassen, rechnen Fachleute zwar in frühestens 10 Jahren. Doch die abhörsichere Kommunikation via Quantenkryptographie könnte schneller Realität werden. Was den Aufbau eines Quanteninternets angeht, das dazu nötig wäre, spielt in Europa das niederländische Städtchen Delft eine wichtige Rolle. Denn am dortigen Forschungszentrum Qutech arbeiten weltweit führende Experimentalphysiker und Quanteninformationstheoretiker daran, die Vision vom "Web Q.0" zu verwirklichen. Federführend mit dabei ist die Informatik-Professorin Stephanie Wehner. Sie hat ihr Geld früher mal als professionelle Hackerin verdient, später in Kalifornien und Singapur geforscht und gilt heute als renommierte Expertin für Quantenkryptographie.

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Austausch von Quanteninformationen

Im Gespräch mit Ralf Krauter vom Deutschlandfunk erklärt Stephanie Wehner, was sie und ihre Kollegen so sicher macht, dass dem Quanteninternet die Zukunft gehört.

Neue Anwendungen wie abhörsichere Kommunikation

Stephanie Wehner: Wir finden ein Quanteninternet spannend, weil man damit Sachen machen kann, die man auf dem normalen Internet nicht machen kann. Ein Quanteninternet hat eine ganze Reihe von neuen Anwendungen, zum Beispiel abhörsichere Kommunikation, die Synchronisierung von Uhren, in verschiedenen Räumen, wo man sagen kann, dass man hat eine viel größere Genauigkeit erreichen kann, mit Quantenkommunikation als mit klassischer Kommunikation. Man kann mit Quantenkommunikation Koordinationsprobleme lösen, in einem Netzwerk - und davon gibt es ganz viele in klassischen Netzwerken. Es gibt sehr viele Anwendungen im Quanteninternet und deswegen möchten wir eins realisieren. Es ist vielleicht wichtig, auch zu sagen, dass wir nicht denken, dass das Quanteninternet das klassische Internet ersetzt, weil das klassische Internet für viele Sachen schneller und praktischer ist, für bestimmte Anwendungen, zum Beispiel das Übertragen von Filmen, die Sie gerne anschauen möchten. Wir gehen davon aus, dass es im Zeitraum von 10, 15 Jahren ein Quanteninternet parallel zum bestehenden Internet geben wird.

Quantenkommunikation über lange Abstände erreichen

Ralf Krauter: Stichwort abhörsichere Kommunikation: Die erste quantenkryptographisch gesicherte Banküberweisung wurde ja schon 2004 demonstriert, von Forschern um Anton Zeilinger in Wien. Seit über 10 Jahren gibt’s auch schon kommerzielle Quantenkryptographiesysteme zu kaufen, etwa vom Schweizer Unternehmen ID-Quantique. Mit diesen Geräten übertragen Banken und Regierungen heute bereits geheime Verschlüsselungscodes abhörsicher zwischen verschiedenen Standorten. Wo springt die existierende Technik zu kurz? Also warum braucht man da noch ein Quanteninternet?

Wehner: Das Ziel von einem Quanteninternet ist Quantenkommunikation auch über lange Abstände zu erreichen. Die Quantengeräte, die man jetzt kaufen kann, sind limitiert in zwei Richtungen: sie können über kurz Abstände - und kurz heißt hier etwa 80 Kilometer Schlüssel erstellen. Hier bringt das Quanteninternet eben längere Abstände. Und das zweite ist, dass diese Sachen, die man jetzt kaufen kann, nur eine Anwendung unterstützen - nämlich: Schlüsselaustausch für die sichere Datenübertragung.

Verschränkung als Schlüssel zu allen Anwendungen

Krauter: Welche Rolle spielt das quantenmechanische Phänomen der Verschränkung – von dem wir eben gehört haben - für ein künftiges Quanteninternet? Ist das der Schlüssel zu allem?

Wehner: Das Phänomen von Verschränkung ist der Schlüssel zu eigentlich allen Anwendungen von einem Quanteninternet. Das kann man so verstehen, dass Verschränkung zwei Eigenschaften hat und aus diesen Eigenschaften, lassen sich eigentlich alle Anwendungen ableiten. Die erste Eigenschaft ist, dass Verschränkung Koordination ermöglicht. Nehmen wir mal an, man hat zwei Quantum-Bits, eines davon ist hier in Delft und eines ist in Berlin. Dann können wir mit diesen Qubits perfekt koordinieren. Wenn ich hier eine Messung mache auf meinem Qubit und Sie machen die gleiche Messung in Berlin, dann bekommen wir immer das gleiche Messergebnis. Und das gilt für jede Messung. So eine Messung kann man jetzt verstehen als Frage; wir können das Qubit fragen: "Hey Qubit, bist Du rot oder grün?" Und wenn man die gleich Frage in Berlin stellt und ich bekomme "rot", dann ist auch die Antwort in Berlin "rot". Wenn ich "grün" bekomme, dann ist auch die Antwort in Berlin "grün". Man kann das zur Koordination verwenden, wenn wir uns zum Beispiel entscheiden würden, wir wären ein Labyrinth, wir gehen entweder beide nach links oder nach rechts. Dann wäre die Frage: "Hey Qubit, sollen wir nach links oder nach rechts gehen?" Und dann machen beide immer das gleiche. Und diese Kommunikation kann man instantan erreichen, mit Verschränkung. Also schneller als wir miteinander kommunizieren könnten.

'Spukhafte Fernwirkung' erlaubt abhörsichere Kommunikation

Krauter: Das ist genau diese spukhafte Fernwirkung, die Albert Einstein so suspekt war.

Wehner: Ganz genau. Also die erste wichtige Eigenschaft von Verschränkung ist genau diese spukhafte Fernwirkung, die Koordination ermöglicht. Und darum ist das Quanteninternet sehr praktisch für Anwendungen bei denen eben Koordination relevant ist. Man kann nicht schneller als die Lichtgeschwindigkeit kommunizieren, man kann aber schneller als die Lichtgeschwindigkeit koordinieren. Also die erst Eigenschaft ist Koordination, die zweite Eigenschaft ist, dass man Verschränkungen nicht teilen kann. Wenn zwei Qubits miteinander verschränkt sind, dann kann man diese Verschränkungen als eine private Verbindung auffassen.

Man kann beweisen, dass nichts anderes im Universum Teil an dieser Verschränkung haben kann. Zwei Partien können immer absolut koordiniert und verschränkt sein, aber niemals drei. Und das ist der Grund, warum man abhörsichere Kommunikation erreichen kann, indem man Verschränkung aufbaut. Die misst man, dann kommt immer das gleiche Messergebnis. Aber nichts anderes in diesem Universum kann Teil von dieser Verschränkung sein und nichts anderes in diesem Universum wird lernen, was genau das Messergebnis war - und was als Konsequenz davon der Schlüssel ist, den wir dann verwenden, um abhörsichere Kommunikation zu etablieren.

China ist Vorreiter beim Aufbau eines Quantennetzwerks

Krauter: Schauen wir nach China, wo man voran prescht beim Aufbau eines Quanteninternets. Im September 2017 wurde da ein 2.000 Kilometer langes Glasfasernetz mit 32 Relaisstationen in Betrieb genommen, das Dutzende Firmen und Behörden zwischen Peking und Schanghai abhörsicher vernetzt. Wie beeindruckend ist das aus ihrer Sicht, was die Chinesen in Sachen glasfaserbasierter Quantenkryptographie schon auf die Beine gestellt haben?

Wehner: Ich finde die Sache in China sehr beeindruckend, aber es ist wichtig, festzustellen, dass dieses Netzwerk nicht Qubits von einem Ende zum anderen schickt. Man stellt hier keine Verschränkung her zwischen Peking und Schanghai. Das Netzwerk funktioniert so, dass man diese etwa 2.000 Kilometer aufteilt in kleine Stückchen von etwa 80 bis 100 Kilometern und dann jeweils für jedes Stückchen einen separaten Schlüssel herstellt und damit dann die sichere Kommunikation von Peking nach Schanghai möglich macht. Allerdings nur wenn alle diese Stationen in der Mitte sicher sind, ist dann auch die Verbindung von Peking nach Shanghai sicher. Es ist wichtig zu verstehen, dass das kein echtes Quantennetzwerk ist, was wirklich möglich macht, absolut sicher über diese Distanz zu kommunizieren. Es ist aber natürlich ein wichtiger und interessanter Schritt in diese Richtung.

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Quantenkommunikation via Satellit

Zeitraum von 10 bis 15 Jahren realistisch?

Der erwähnte chinesische Quantensatellit heißt MICIUS. Und der geheime Schlüssel, der mit seiner Hilfe zwischen Peking und Wien übertragen wurde, diente am 29. September 2017 zur Verschlüsselung des ersten absolut abhörsicheren interkontinentalen Videotelefonats.

Krauter: Wie sehr hat Sie das damals beeindruckt – das war ja eine Weltpremiere?

Wehner: Was mich da beeindruckt hat, war eigentlich nicht der Schlüsselaustausch, sondern die Verteilung von Verschränkungen von einem Satelliten innerhalb von China. Es ist nämlich wichtig zu sagen, dass dieser Satellit in der Videoübertragung zwischen Wien und China nämlich auch ein Relais war. Das heißt diese Verbindung ist auch nur abhörsicher, wenn man dem Satelliten vertraut. Diese Videoübertragung war nicht End-to-end sicher. Es gab allerdings noch ein anderes Experiment, was meiner Meinung nach vielleicht noch beeindruckender ist, wo innerhalb von China selbst, über eine Distanz von 1203 Kilometern, Verschränkung kreiert wurde. Also in einem Satelliten, wenn man zwei Photonen - zwei Lichtteilchen, zwei Qubits - präpariert, die schön verschränkt sind und das eine geht eben nach links auf die Erde, das andere nach rechts, dann hat man damit Verschränkung generiert, über einen relativ langen Abstand auf der Erde. Und damit könnte man in der Zukunft eben auch über diesen langen Abstand absolut abhörsichere Kommunikation realisieren.

Krauter: Jian-Wei Pans Vision ist es, wie wir gehört haben, innerhalb von zehn Jahren ein globales Quanteninternet aufzubauen, durch Verbindung von Satelliten und Glasfasernetzen am Boden. Halten Sie das für realistisch?

Wehner: Ich denke, dass es möglich ist, das in zehn Jahren zu erreichen, vielleicht ist 15 Jahre etwas realistischer, es ist aber wirklich schwierig, da eine genaue Zahl dranzuhängen. Aber ich würde mal sagen im Zeitraum: 10 bis 15 Jahre.

Schlüsseltechnologie Quantenrepeater

Eine Schlüsselkomponente glasfaserbasierter Quantennetzwerke sind so genannte Quantenrepeater. Denn mit deren Hilfe könnte man Quanteninformation am Boden über größere Entfernungen übertragen als die derzeit möglichen 100 bis 200 Kilometer. Quantenrepeater gelten seit Jahren als der Heilige Gral der Quantenkommunikation und es gibt intensive Forschungsaktivitäten. Frank Grotelüschen schildert den aktuellen Stand (siehe Kasten: Der Heilige Gral der Quantenkommunikation)

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Der Heilige Gral der Quantenkommunikation

Testlink Ende 2020

Krauter: Der im Beitrag erwähnte Ronald Hanson, der mit diamantbasierten Quantenbits arbeitet, ist ein Kollege von Stephanie Wehner aus Delft. Das erklärte Ziel des Forschungsverbundes, den sie leitet, lautet: Bis 2020 ein Mini-Quanteninternet aufzubauen, dass mit Quantenrepeatern vier Städte in den Niederlanden verbindet. Aber wie optimistisch ist sie, dass das tatsächlich gelingt?

Wehner: Also, wir arbeiten natürlich sehr hart dran, wir möchten bis im Frühling nächstes Jahr einen Testlink haben, von Delft nach Den Haag, der dann eben ausgebreitet wird, Ende 2020. Das läuft bisher ganz gut mit diesem Testlink, natürlich weiß ich noch nicht genau , was passiert, bis nächsten Frühling. Ich hoffe, dass alles weiterhin gut läuft. Das Ziel von diesem Testlink ist, manche Sachen schon auszuprobieren. Wir verwenden dafür normale Glasfaser, die man auch für das klassische Internet verwendet, darin man dann die Frequenz konvertieren. Also das Ziel von diesem Testlink ist, so manche Sachen dann schon eben auszuprobieren, als Vorbereitung für das 2020-Demonstrationsnetzwerk.

Einfacherer Zugang wichtig

Krauter: Wenn wir von 2020 nochmal 20 Jahre vorausblicken: Was meinen Sie, wird das dann ganz normal sein, dass wir das Quanteninternet und Services wie abhörsichere Kommunikation, die da angeboten werden, so selbstverständlich nutzen, wie heute das klassische Internet?

Wehner: Ja, ich denke, dass das vielleicht so ist. Natürlich gibt es da sehr wichtige Entwicklungen in diese Richtung. Es ist superwichtig, dass wir da Repeater haben, dass wir auch kompliziertere Processingmodes haben. Es ist dann auch wichtig, dass man es einfacher macht, daran Zugang zu bekommen. Das ist mit dem klassischen Internet ja auch so, bei den Internetprovidern stehen auch komplizierte Geräte, die sehr viel kosten, aber bei uns zuhause steht nicht so ein großes, teures Gerät. Ich denke, dass es wichtig ist, um die Weiterverbreitung sicherzustellen, billigere Endgeräte zu entwickeln.

Europa beim Quanteninternet gut aufgestellt

Krauter: Wie ist Europa im internationalen Vergleich aufgestellt, beim Wettlauf um diese Zukunftstechnologie Quanteninternet?

Wehner: Ich denke, dass Europa da sehr gut aufgestellt ist. ICH denke sogar, dass Europa auf dem Boden sicher vorne liegt. Bei den Satelliten möchte ich jetzt nicht unbedingt sagen, dass wir vorne liegen. Ich denke, da hat China im Moment die Nase vorn.

Originalveröffentlichung auf Deutschlandfunk.de vom 12.08.2018

* Ralf Krauter ist Wissenschaftsjournalist mit Schwerpunkt Hörfunk. Seine Radiobeiträge, Features und Reportagen laufen im Deutschlandfunk, WDR, SWR und ORF.

* Frank Grotelüschen ist Physiker und freier Wissenschaftsjournalist.

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