Zusammenarbeit zur Sicherung zukünftiger Kommunikationssysteme
Aktuelle Kommunikationssysteme könnten durch zukünftige Technologien wie leistungsstarke Quantencomputer, die in der Lage sind, aktuelle Verschlüsselungsprotokolle zu entschlüsseln, gefährdet sein. Aus diesem Grund arbeiten die Forschenden an der Entwicklung von Kommunikationsnetzen, die auf Quantencomputern basieren, um deren Stabilität und Sicherheit zu gewährleisten. Die Bündelung des Fachwissens auf beiden Seiten des Atlantiks soll dazu beitragen, die Einführung dieser Technologie sowohl in den USA als auch in der EU zu beschleunigen. „Die Quantenkommunikation ist eine zukunftssichere Technologie, die eine sichere Kommunikation unabhängig von zukünftigen technologischen Entwicklungen und Erfindungen ermöglicht”, erklärt Qurope-Projektkoordinator Klaus Jöns(öffnet in neuem Fenster) von der Universität Paderborn(öffnet in neuem Fenster) in Deutschland. Diese zukunftssicheren Kommunikationsnetzwerke könnten auch die Datenübertragung revolutionieren und eine Ära des quantenbasierten Internets einläuten. „Ein Quantennetzwerk kann Quantenvorrichtungen miteinander verbinden und so den Austausch von Quanteninformationen zwischen neuartigen Sensoren oder Computern ermöglichen“, erklärt Jöns. „Ohne Quantenkommunikation werden zukünftige Quantenvorrichtungen isolierte Einzelkämpfer sein, denen die Konnektivität fehlt, auf der ihre klassischen Entsprechungen basieren.“
Notwendigkeit einer Netzinfrastruktur
Qurope, ein transatlantisches Konsortium von Wissenschaftlern aus Europa, dem Vereinigten Königreich und den Vereinigten Staaten, hat sich zum Ziel gesetzt, Quantennetzwerke durch die Entwicklung einer neuen hybriden Quantenrepeater-Architektur voranzubringen. Einige Quanteninformationen können bei der Übertragung von Photonen durch Glasfasern verloren gehen. Quantenrepeater überwinden diese Verluste, indem sie die Entfernung zwischen den Kommunikationspartnern aufteilen. Das Konsortium konnte Quantenspeichersysteme testen, dank des Zugangs zur Quantennetzwerkinfrastruktur, die von US-amerikanischen Partnern entwickelt wurde. „Die Zusammenarbeit war entscheidend, um den Blick für das große Ganze zu schärfen“, ergänzt Jöns. Wir benötigen eine kompatible weltweite Quanten-Netzwerkinfrastruktur, und das Team der Stony Brook University in den USA um Eden Figueroa(öffnet in neuem Fenster) hat ein Quantennetzwerk eingerichtet. Wir haben viel von der klassischen Infrastruktur gelernt, die sie zum Aufbau dieses Netzwerks verwendet haben, beispielsweise die Verwendung von White Rabbit-Architektur(öffnet in neuem Fenster) als Synchronisationsmechanismus für Quantennetzwerke.
Quantentechnologie in der Praxis
Das neue Quantenrepeater-System des Projekts basierte auf zwei innovativen Technologien, die im Rahmen des Projekts entwickelt wurden: quantenverschränkte Photonenpaare mit abstimmbaren Wellenlängen und bedarfsgesteuertem Betrieb sowie breitbandige „Quantenspeicher“, die zum Speichern und Abrufen verschränkter Photonen konzipiert wurden. Im Rahmen des Projekts arbeitete das Team an einer Quantenrepeater-Architektur der zweiten Generation, die auf Zwei-Photonen-Messungen basiert. Diese Zwei-Photonen-Architektur erfordert bedarfsgerechte Quellen für verschränkte Photonenpaare und absorbierende Quantenspeicher. „Zwei-Photonen-Architekturen versprechen im Vergleich zu Ein-Photonen-Protokollen deutlich höhere Qubit-Raten, sofern wir die unterschiedlichen Technologien effizient miteinander verbinden können“, erläutert Jöns. Die Forschenden testeten beide Bausteine einzeln und verbanden sie im Labor miteinander, bevor sie das System in realen Anwendungen für die Quantenschlüsselverteilung über Glasfasernetzwerke und Freiraumverbindungen testeten. „Wir haben mit zwei unabhängigen Quantenlichtquellen über Glasfasernetzwerke und Freiraumverbindungen Quantenbits teleportiert. Unser Konsortium hat dies als erstes mit Halbleiter-Quantenpunkten erreicht“, merkt Jöns an.
Einführung der Quantennetzwerktechnologie
Die Zusammenarbeit und Entschlossenheit der Forschenden haben den Weg für eine groß angelegte Umsetzung einer effizienten und sicheren Quantenkommunikation geebnet. Aufgrund der erfolgreichen Ergebnisse des Qurope-Projekts haben mehrere Partner Folgeprojekte der EU initiiert, um den Technologiereifegrad des Quantenrepeater-Systems weiter voranzutreiben. „Wir haben uns außerdem einem Unternehmen(öffnet in neuem Fenster) angeschlossen, die sich mit der Entwicklung von Quanten-Netzwerkhardware befasst, um gemeinsam mit anderen Forscherinnen und Forschern die Quanten-Netzwerktechnologie voranzutreiben“, erklärt Jöns.