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StartseiteForschung aktuellPhysiker legen Grundstein für Quanteninternet06.09.2019

Rekord bei VerschränkungPhysiker legen Grundstein für Quanteninternet

Dank Quantentechnologie lassen sich Informationen bereits heute absolut abhörsicher übertragen. Doch noch ist die Reichweite der Quantenkryptographie begrenzt. Abhilfe schaffen könnte ein weltumspannendes Quanteninternet. Physiker der Universität Innsbruck haben jetzt eine Schlüsseltechnologie dafür entwickelt.

Von Frank Grotelüschen

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(IQOQI Innsbruck / Harald Ritsch)
In einem nichtlinearen Kristall wird die Wellenlänge des Photons so verändert, dass es über Glasfaserleitungen gesendet werden kann. (IQOQI Innsbruck / Harald Ritsch)
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Spukhafte Fernwirkung - mit einem etwas spöttischen Unterton hatte Albert Einstein einst einen seltsamen Quanteneffekt beschrieben: die Verschränkung. Demnach können zwei Quanten, etwa zwei Lichtteilchen, selbst dann noch in einer Art telepathischer Verbindung stehen, wenn sie kilometerweit voneinander entfernt sind. Einstein hatte das stets für ein Hirngespinst gehalten, aber er sollte irren: Im späten 20. Jahrhundert ließ sich die Verschränkung mit raffinierten Laserexperimenten eindrucksvoll nachweisen. Seitdem ist sie in der Quantenphysik eine heiße Sache – auch für Ben Lanyon von der Universität Innsbruck:

"Wir kennen diese Verschränkung schon lange. Und in den letzten zehn Jahren haben wir gelernt, sie gezielt zu beherrschen. Dadurch wird sie immer nützlicher für technologische Anwendungen."

Verschränkung ist Basis sämtlicher Quantentechnologien

Anwendungen wie die Quantenkryptographie, die absolut abhörsichere Übertragung digitaler Daten oder wie den Quantencomputer, ein künftiger Rechnertyp von sagenhafter Schnelligkeit. Für beide ist die Verschränkung ein essenzielles Element. 
 
"Könnte man Quantencomputer nicht miteinander verschränken, ließe sich ihre Rechenpower bei weitem nicht voll ausschöpfen. Die Verschränkung ist wirklich die Basis sämtlicher Quantentechnologien, Und deshalb finde ich sie so aufregend" sagt Ben Lanyon.
 
Um einen Quantenzustand von einem Quantenrechner zu einem anderen zu befördern, braucht es eine komplexe Prozedur: Vereinfacht gesagt muss man das Atom, das diesen Zustand enthält, mit einem Lichtteilchen, also einem Photon, verschränken. Dieses verschränkte Photon wird dann per Glasfaser zu seinem Ziel geleitet, dem zweiten Quantencomputer, und kann dort den Zustand an ihn übermitteln. Bislang aber gab’s dabei ein Problem: "Bisher war es nur möglich, solche Quantenzustände über eine Strecke von ein paar hundert Metern zu übertragen. Für die Praxis war das viel zu wenig."

Photon wird mit einem Spezialkristall umgewandelt 

Die Achillesferse war die Wellenlänge oder Farbe der Photonen. Die bisher genutzten Infrarot-Photonen besitzen eine relativ kleine Wellenlänge und bleiben in den Glasfasern allzu schnell stecken. Genau hier setzten Ben Lanyon und seine Leute an: 
 
"Wir schicken das Photon in einen Spezialkristall. Dieser Kristall kann das Photon in ein anderes Infrarot-Photon verwandeln mit einer größeren Wellenlänge, und die ist für die Glasfaserkommunikation viel geeigneter. Die besondere Herausforderung war, dass die Verschränkung dabei nicht verloren geht."
 
Ein Farbwandler für verschränkte Photonen also. Das Team testete ihn im Labor, und heraus kam ein neuer Rekord. 

"Wir haben Entfernungen von 50 Kilometern geschafft. Damit scheint es nun möglich, größere Städte miteinander zu verbinden, und zwar indem man alle 50 Kilometer eine Relaisstation aufbaut."

Schlüsseltechnologie für größere Quantennetzwerke

Eine Grundlage für das Quanteninternet. So nennen Fachleute ein künftiges Netzwerk, über das sich geheime Daten abhörsicher übermitteln und Quantencomputer miteinander koppeln lassen. Ein solches Quanteninternet will Europa in den nächsten zehn Jahren auf die Beine stellen. Dabei aber muss es zusehen, nicht hinter andere Player zurückzufallen, etwa hinter China. Das nämlich steckt derzeit Milliarden in die Forschung und möchte schon deutlich früher ein Quanteninternet realisieren.
 
"Vielleicht bin ich da als Physiker etwas naiv, aber ich sehe das nicht als Rennen. Denn China setzt auf eine andere Technologie als wir, mit ihren eigenen Stärken und Schwächen. Womöglich ergänzen sich beide Ansätze, und das finde ich eigentlich ganz nett."

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