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Eine Einführung in Quantennetzwerke und ihre Funktionsweise
Quantennetzwerke bieten das Potenzial für eine schnellere und sicherere Kommunikation. Echte Quantennetzwerke sind im Moment noch experimentell und erfordern weitere Forschung.
Die Quantenvernetzung verbindet Systeme und überträgt Daten zwischen ihnen mit Quantenphänomenen. Dieses Konzept unterscheidet sich von der klassischen Netzwerktechnologie, die auf der Übertragung von Photonen oder Elektronen basiert.
Derzeit bezieht sich die kommerzielle Quantenvernetzung hauptsächlich auf quantensichere Netzwerke. Diese Datennetze nutzen konventionelle Methoden wie TCP/IP über Glasfaser- und Kupferleitungen zur Datenübertragung und verwenden gleichzeitig ein paralleles Quantennetzwerk zur Erzeugung und gemeinsamen Nutzung von Verschlüsselungs-Keys, die den Datenstrom sichern.
An vielen Orten arbeiten Teams an echten Quantennetzwerken, die Quantenkanäle zur Übertragung ganzer Datenströme nutzen.
Viele Forschungslabore und Technologie-Inkubatoren haben quantensichere Netzwerke eingerichtet, darunter das MIT Lincoln Laboratory, das Caltech Quantum Network und das Los Alamos National Laboratory. Kommerzielle Implementierungen befinden sich unter anderem in New York, Kalifornien und Tennessee in der Entwicklung.
Grundlegende Prinzipien der Quantentheorie
Mehrere Aspekte des Quantenverhaltens machen Quantennetzwerke möglich. Hier sind einige wichtige Quantenprinzipien.
Verschränkung
Quantenverschränkung ist ein Phänomen, bei dem zwei Quantensysteme miteinander verbunden werden und in einem einheitlichen Quantenzustand grundlegende Verhaltensweisen teilen. Zum Beispiel teilen sich zwei verschränkte Teilchen Eigenschaften wie Spin, Polarisation und Erhaltung. Jede Änderung der grundlegenden Quanteneigenschaften des einen Teilchens erfordert eine sofortige und vorhersehbare Änderung des anderen Teilchens, unabhängig von der Entfernung zwischen ihnen.
Nehmen wir zum Beispiel zwei verschränkte Photonen, die sich in einem Singulett-Zustand (die Spins der Photonen sind antiparallel ausgerichtet) drehen. Der Erhaltungssatz besagt, dass der Gesamtspin einer verschränkten Gruppe gleich Null sein muss. Die beiden Photonen haben entgegengesetzte Spinausrichtungen und behalten einen Gesamtspinimpuls von Null. Beginnt jedoch ein Photon, sich von unten nach oben zu drehen, wechselt das andere von oben nach unten, um den Gesamtspinimpuls auf Null zu halten.
Miteinander verschränkte Quantenbits (Qubits) können Daten übertragen. Wenn ein Qubit an einem Ende des Netzwerks seinen Zustand ändert, spiegelt das verschränkte Qubit am anderen Ende des Netzwerks die korrelierten Änderungen sofort wider. Durch Beobachtung dieser Veränderungen werden Datenbits übermittelt.
Kohärenz
Der Quantenzustand eines Systems, zum Beispiel zweier verschränkter Qubits, muss aufrechterhalten werden, damit Daten fließen können. Wenn sich der Zustand verschlechtert, verliert das System die Kohärenz, also die Synchronisation und das korrelierte Verhalten des Quantensystems.
Die Kohärenz kann durch verschiedene Faktoren gestört werden, zum Beispiel durch elektromagnetische Fluktuationen, Temperaturänderungen und Quantenmessungen. Beispielsweise führt ein Qubit, das mit der umgebenden Materie verschränkt wird, zu einer Dekohärenz mit seinem verschränkten Qubit.
No-Cloning
Die Quantengesetze besagen, dass die Beobachtung eines Systems dessen Zustand verändert. Folglich können Qubits nicht direkt kopiert werden. Zum Beispiel verbietet das No-Cloning-Prinzip exakte Sicherungskopien, da dieser Vorgang den ursprünglichen Zustand stören würde.
Wie Quantennetzwerke funktionieren
In den Endknoten eines Quantennetzwerks befinden sich Quantenprozessoren, die Qubits erzeugen und empfangen. Sie können auch über eine gewisse Quantenspeicherkapazität verfügen.
Nachfolgend sind zwei Methoden aufgeführt, mit denen Quantennetzwerke Endknoten miteinander verbinden:
- Direkte Verbindung: Ein Beispiel für diese Methode ist das Senden von verschränkten Photonenstrahlen im freien Raum, um Endpunkte ohne Verwendung eines physikalischen Mediums zu verbinden.
- Indirekte Verbindung: Bei dieser Methode werden in der Regel Glasfasern und spezielle optische Schalter verwendet, um Endknoten zu verbinden. Die verschränkten Photonen reisen durch die Glasfasern, wodurch die Quantenzustände der Qubits, die Daten tragen, erhalten bleiben.
Bei größeren Entfernungen übertragen spezialisierte Quanten-Repeater den Datenverkehr über mehrere, kürzere Sprünge. Quanten-Repeater können den Datenverkehr entweder als vertrauenswürdige oder als nicht vertrauenswürdige Teilnehmer in der Kommunikationskette weiterleiten.
Vertrauenswürdige Repeater ermöglichen eine Ende-zu-Ende-Kommunikation über eine Kette von QKD-Ereignissen (Quantum Key Distribution). Durch diese Ereignisse erhalten die Endknoten einen sicher erzeugten und übertragenen Verschlüsselungs-Key, der auch einem der dazwischenliegenden Repeater bekannt ist.
Nicht vertrauenswürdige Repeater sind reine Quanten-Repeater. Diese Repeater führen eine Quantenoperation (eine sogenannte Bell-Messung) an Qubit-Paaren durch, um sie zu verschränken, so dass Änderungen in einem der Bits im anderen reflektiert werden. Ein sendender Endknoten erzeugt ein Paar verschränkter Qubits, hält eines davon fest und sendet das andere durch das Repeater-Netzwerk.
Ein Repeater verschränkt das ankommende Qubit mit einem von ihm selbst erzeugten Paar. Jede Änderung des Zustands des Qubits des sendenden Endknotens spiegelt sich im Zustand des Qubits des Repeaters wider. Das zweite Repeater-Qubit reist zum nächsten Repeater in der Reihe, und der Prozess wiederholt sich und erweitert die Verschränkung, bis das Qubit den empfangenden Endknoten erreicht. An diesem Punkt führen Änderungen im Qubit eines Sendeknotens zu Änderungen im gesendeten Qubit des Empfangsknotens, so dass Informationen fließen können.
Anwendungsfälle von Quantennetzwerken
Sobald eine Quantenübertragungsverbindung hergestellt ist, ist der Kommunikationskanal von sich aus sicher. Er kann nicht abgefangen oder kopiert werden, ohne dass die Daten beschädigt werden. Quantennetzwerke sind daher für jeden Anwendungsfall interessant, der ein absolut sicheres Netzwerk erfordert: in einem Data Center, auf einem Campus, in einem Metro Area Network (MAN) oder in einem WAN.
Ein weiterer Hauptanwendungsfall ist die Schaffung von Quantencomputer-Clustern, die unabhängig von der Notwendigkeit der Sicherheit solcher Verbindungen miteinander verbunden sind.
Eine schwächere Form von quantensicheren konventionellen Netzwerken, QKD, ist kommerziell verfügbar. Der Datenstrom kann abgefangen und kopiert werden, da die Quantenmechanik nur zur Übertragung der Verschlüsselungs-Keys verwendet wird. Wenn das System jedoch lange Verschlüsselungs-Keys überträgt, die für die symmetrische Verschlüsselung verwendet werden, im Gegensatz zur Verschlüsselung mit öffentlichen Schlüsseln, dann sollten die übertragenen Daten selbst von Quantencomputern nicht entschlüsselt werden können.
Herausforderungen der Quantenvernetzung
Echte Quantennetze sind noch experimentell. Mit Glasfaserkabeln wurden bereits Quantenverbindungen von mehr als 10 Kilometern Länge aufgebaut. Auch Verbindungen zwischen Bodenstationen und Satelliten wurden schon realisiert. Es bleibt jedoch noch viel zu tun, um die Zuverlässigkeit, den Durchsatz und die Effizienz der Technologie zu erhöhen und gleichzeitig die Kosten zu senken. Die Bemühungen um die Kommerzialisierung der Wissenschaft sind in vollem Gange, aber es wird noch einige Zeit dauern, bis kommerziell nutzbare Quantennetze zur Verfügung stehen.
Um Quantennetze praktikabel zu machen, sind wissenschaftliche und technische Arbeiten erforderlich. Zu den größten Herausforderungen gehören Verbesserungen bei der Fehlerkorrektur, der Netzkohärenz und der Qubit-Erzeugung. Mit der Einführung von QKD ist jedoch klar, dass echte Quantennetze kommen werden.
