Quanten-Internet rückt näher

Durchbruch für die Quantenkommunikation: Forscher haben erstmals ein gut skalierbares Quanten-Netzwerk entwickelt. In ihm können mehrere Nutzer frei untereinander kommunizieren, ohne dass teure Hardware-Knoten oder aktive Umschalter nötig sind. In einem ersten Test funktionierte dieses Quanten-Netzwerk mit acht Teilnehmern sogar über das städtische Glasfasernetz, wie die Physiker im Fachmagazin „Science Advances“ berichten.

Dank quantenphysikalischer Phänomene wie der Verschränkung lassen sich Daten mittels Quantenkommunikation abhörsicher übertragen – innerhalb einer Stadt, über Kontinente hinweg und sogar bis in den Orbit. Die Informationen werden dabei durch Laserphotonen über das städtische Glasfasernetz, per Unterseekabel oder auch durch die Luft transportiert. Bisher allerdings ließen sich die dafür nötigen Quantenschlüssel in Form verschränkter Photonenpaare jeweils nur zwischen zwei Nutzern teilen.

Das Problem der Skalierung

Doch um eines Tages ein größeres Quanten-Netzwerk oder sogar ein Quanten-Internet aufzubauen, muss das Teilen der Quantenschlüssel zwischen mehr als nur zwei Nutzern möglich sein. Um das erreichen, sind bisher jedoch entweder zusätzliche Hardware-Knoten nötig, die die Sicherheit des Netzwerks herabsetzen, oder aber man nutzt Schaltungen, durch die zumindest nacheinander wechselnde Nutzerpaare kommunizieren können.

„Bisher nutzte man für die Ausdehnung des Netzwerks aufwändige Infrastruktur und ein System, das für jeden zusätzlichen Nutzer einen weiteren Transmitter und Receiver benötigt“, erklärt Erstautor Siddarth Joshi von der University of Bristol. „Botschaften auf diese Weise auszutauschen – über sogenannte trusted nodes – ist aber nicht optimal, weil es viel zusätzliche Hardware braucht und die Sicherheit verringert.“

Quantenkommunikation ohne Zusatzknoten und Schalter

Eine Alternative, die mit weniger Hardware, Aufwand und Mängeln auskommt, könnten Joshi und sein Team nun entwickelt haben. Ihre Technologie erlaubt es Nutzern in einem Quanten-Netzwerk, mit jedem anderen Nutzer Quantenschlüssel in Form verschränkter Photonen auszutauschen, ohne dass dafür zusätzliche Hardware-Knoten oder aktive Schaltungen nötig sind.

Möglich wird dies durch die Anwendung des schon in der Telekommunikation gängigen Multiplexings. Dieses erlaubt es, Signale auf bestimmte Weise zu bündeln oder aufzuspalten. Auf ähnliche Weise nutzen die Wissenschaftler halbtransparente Spiegel, um ihre Strahlen verschränkter Photonen aufzusplitten. „Da wir verschiedene Wellenlängen nutzen, können die Kommunikationspartner sich auf die jeweils relevante Wellenlänge konzentrieren und die restlichen Photonen ignorieren“, erklärt Koautor Sören Wengerowsky vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation Wien.

Erfolgreicher Test mit acht Nutzer im städtischen Netz

Das Resultat ist ein Quanten-Netzwerk mit acht Nutzern, von denen jeder mit jedem anderen frei kommunizieren kann. Daraus ergeben sich 28 mögliche Nutzerpaare, die Quantenschlüssel untereinander austauschen können. Statt der mit herkömmlicher Technik nötigen 56 Empfänger wurden dafür nur 16 Wellenlängenkanäle gebraucht. „Die physische Ebene des Netzwerks entspricht einer einfachen Nabe-und-Speichen-Struktur, während auf der logischen Ebene jedes Nutzerpaar immer ein verschränktes Photonenpaar teilt“, erklären die Forscher.

Ob das System funktioniert, haben Joshi und sein Team zuerst innerhalb ihres Labors und dann in einem stadtweiten Quantennetz getestet. Dafür verteilten sich die acht Nutzer in der Stadt Bristol und die Signale wurden über das öffentliche Glasfasernetz übertragen. „Die 28 möglichen Nutzerverbindungen hatten dabei räumliche Entfernungen von zehn Metern bis zu 16,6 Kilometern“, so die Forscher.

„Wir haben das Netzwerk im Experiment 17 Stunden am Laufen gehalten und Datenraten zwischen fünf und 300 Bit pro Sekunde erreicht“, sagt Wengerowsky. Das reicht allerdings für viele Anwendungen noch nicht aus. Denn für optimale Sicherheit muss der Schlüssel Bit für Bit genauso groß sein wie die Nachricht, die übermittelt werden soll. „Es gibt aber technische Möglichkeiten, die Datenrate zu verbessern“, so der Forscher.

„Wichtiger Durchbruch“

„Unseres Wissens nach haben wir damit das bisher größte Quanten-Netzwerk ohne trusted nodes demonstriert“, konstatieren die Wissenschaftler. „Die neue Technologie hat damit nicht nur den Vorteil, völlig abhörsicher zu sein, sie benötigt auch nur minimale Hardware, weil sie sich gut mit existierender Technologie integrieren lässt“, so Joshi. „Das ist ein entscheidender Durchbruch.“ Seiner Ansicht nach könnte dies ein künftiges Quanten-Internet deutlich umsetzbarer machen.

„Bisher erforderte der Aufbau eines Quanten-Internets enorme Kosten, Zeit und Ressourcen und schmälerte noch dazu die Sicherheit der Verbindungen – was den Zweck einer Quantenkommunikation konterkariert“, sagt Joshi. „Unsere Lösung ist skalierbar, relativ günstig und – am wichtigsten von allen – unknackbar.“ (Science Advances, 2020; doi: 10.1126/sciadv.aba0959)

Quelle: AAAS, University of Bristol, Österreichische Akademie der Wissenschaften