Quanteninternet: Klassische Netzwerktechnik überträgt Quanteninformation

Ein Forschungsteam der University of Pennsylvania hat in einem Experiment Quanteninformationen über klassische Internetprotokolle, Router und Glasfaserkabel übertragen. Damit demonstrierte das Team, dass zukünftiges Quanteninternet möglicherweise in Teilen auf bestehender Netzwerktechnik basieren könnte. Die Studie erschien im Fachmagazin Science.

Vom Internet zum Quanteninternet

Ein Quanteninternet könnte zukünftig zentrale Herausforderungen in der Kommunikation und Datenverarbeitung lösen. Es verspricht abhörsichere Datenübertragung und die Vernetzung von Quantencomputern. So könnten diese Informationen austauschen oder gemeinsam komplexe Berechnungen durchführen.

Doch der Aufbau eines Quantennetzwerks ist mit vielen technischen Hürden verbunden. Quantenobjekte sind extrem empfindlich gegenüber äußeren Einflüssen wie Vibrationen oder Temperaturveränderungen. Selbst minimale Störungen können die Informationen zerstören, die sie tragen. Hinzu kommt, dass herkömmliche Netzwerktechniken, wie Signalverstärker und Router, Quantensignale nicht ohne Weiteres verarbeiten können.

Mehrere Studien konnten bereits belegen, dass herkömmliche Glasfaserkabel Quanteninformation übertragen können. So etablierte etwa ein Team aus England, Polen und den Niederlanden kürzlich Quantenkommunikation über ein 250 Kilometer langes, kommerzielles Glasfaserkabel zwischen Frankfurt am Main und Kehl bei Straßburg. Photonen, also einzelne Lichtteilchen, trugen die Information dabei vom Sender zum Empfänger.

Ob typische Internetprotokolle und weitere Netzwerktechnik für den Transport von Quanteninformationen genutzt werden können, ohne diese zu zerstören, blieb bislang aber weitgehend unerforscht.

Hybride Datenpakete

Um diese beiden Bereiche zu verbinden, kombinierte das Team um Yichi Zhang der University of Pennsylvania klassische und quantenbasierte Daten zu einem hybriden Datenpaket. Das bekannte Internetprotokoll (IP) teilt Informationen in Datenpakete auf, versieht sie mit Kopfdaten (einem Header) und ordnet sie so über eine IP-Adresse den Zielen zu. Mit einer ähnlichen Idee entwickelte das Team einen Chip, der einen klassischen Header mit der zu übertragenden Quanteninformation, der sogenannten Quantum-Payload, kombiniert. Die Quanteninformation kodierten sie innerhalb von verschränkten Photonenpaaren.

Mithilfe des Headers adressierten Router die hybriden Datenpakete korrekt und leiteten sie weiter, ohne auf die sensiblen Quanteninformationen zuzugreifen. Zusätzlich integrierten die Forschenden ein Fehlererkennungssystem in den IP-Header, das Störungen von außen erkennt und abmildert, bevor sie die Quanteninformationen beeinträchtigen. Dieses System erwies sich während eines fünfstündigen Tests als wichtiges Werkzeug, um die Quanteninformationen zu erhalten, wie das Team in seiner Publikation schreibt.

Drei Strecken im Test

Um ihr Konzept zu testen, entwickelte das Team drei verschiedene Teststrecken über eine Strecke von bis zu sieben Kilometern. Dabei nutzte es Glasfaserkabel, Router und Knotenpunkte, um Quanteninformationen an mehrere Adressen zu übertragen. Im größten Aufbau leitete das Team Quanteninformationen von zwei möglichen Absendeadressen über zwei Router zu drei möglichen Zieladressen. Laut der Forschenden demonstrieren ihre Ergebnisse, dass hybride Datenpakete stabil über ein klassisches Netzwerk transportiert werden können.

„In vielerlei Hinsicht wird ein Quanteninternetprotokoll auch unseren klassischen Internetprotokollen ähneln“, erklärt Hannes Bernien, Quantenforscher an der Universität Innsbruck, der nicht an der Studie beteiligt war. Wie dies funktionieren könne, hätten die Forscher mit ihrer Studie auf elegante Weise gezeigt und so einen wichtigen Schritt hin zu einem skalierbaren Quanteninternet gemacht.

„In einem klassischen Netzwerk gibt es allerdings viele weitere Komponenten, die fundamental nicht mit Quantensignalen kompatibel sind“, gibt Bernien zu bedenken. Signalverstärker, die längere Distanzen überwinden sollen, seien aufgrund physikalischer Gesetze in der Quantenwelt nicht möglich. „Insofern denke ich, dass ein Quantennetzwerk immer eine eigene Infrastruktur benötigen wird.“

Vernetzte Quantencomputer für Quanten-Cloud-Computing

Quantennetzwerke, die Informationen abhörsicher übertragen, sind mittlerweile bereits kommerziell verfügbar und funktionieren über Distanzen bis zu etwa 100 Kilometern. Spannend sei aber vor allem die Vernetzung von Quantencomputern oder Quantensensoren. „Für mich ist ein Quanteninternet erst dann richtig interessant, wenn es Quantenprozessoren verbindet“, sagt Bernien. „Das ist eigentlich genauso wie bei unserem heutigen Internet, das ja ohne Computer ziemlich langweilig wäre.“

Solch ein Quantennetzwerk würde etwa Cloud-Computing ermöglichen. „Man geht mittlerweile davon aus, dass ein modularer Ansatz verwendet werden muss, um einen Quantencomputer der notwendigen Größe zu bauen“, sagt der Forscher. Statt einen großen Quantenrechner zu bauen, verknüpft man also viele kleine mithilfe eines Quantennetzwerks.

Das Team aus Pennsylvania sehen ihre Arbeit als Grundlage für weitere Entwicklungen. Mit fortschreitender Technik könnten hybride Netzwerke mit höheren Datenraten und größerer Skalierbarkeit realisiert werden, um den steigenden Anforderungen eines Quanteninternets gerecht zu werden. Die Kombination aus klassischer Netzwerktechnik und Quantensystemen könnte dabei helfen, die bestehende Infrastruktur effizient zu nutzen, während sie schrittweise für die Bedürfnisse von Quantenanwendungen angepasst wird.

(spa)