Europa drängt auf den Aufbau einer Netzwerkinfrastruktur auf Basis der Quantenphysik.
Im Mai 2023 machte Dr. Benjamin Lanyon von der Universität Innsbruck in Österreich einen wichtigen Schritt zur Schaffung einer neuen Art von Internet: Er übertrug Informationen entlang einer 50 Kilometer langen optischen Faser und nutzte dabei die Prinzipien der Quantenphysik.
Informationen in der Quantenphysik unterscheiden sich von den Dateneinheiten – Binärziffern –, die von Computern gespeichert und verarbeitet werden und den Kern des aktuellen World Wide Web bilden. Der Bereich der Quantenphysik umfasst die Eigenschaften und Wechselwirkungen von Molekülen, Atomen und noch kleineren Teilchen wie Elektronen und Photonen.
Teilchenkraft
Quantenbits oder „Qubits“ versprechen eine sicherere Informationsübertragung, da sich die Teilchen durch ihre Beobachtung und Messung verändern. Das bedeutet, dass ein Lauscher nicht unentdeckt bleiben kann.
Lanyon sagte, seine Arbeit lasse das Quanteninternet innerhalb von Städten machbar erscheinen, wonach längere Entfernungen zwischen Städten das Ziel seien.
„Man könnte sich vorstellen, dass es sich hierbei um eine großstädtische Maßnahme handelt“, sagte er.
Sein Durchbruch war Teil eines EU-Forschungsprojekts, das dem Ziel eines Quanteninternets näher kommen sollte.
Genannt Quanten-Internet-Allianz, oder QIA, bringt das Projekt Forschungsinstitute und Unternehmen aus ganz Europa zusammen. Die Initiative erhält über einen Zeitraum von dreieinhalb Jahren bis Ende März 2026 EU-Fördermittel in Höhe von 24 Millionen Euro.
„Es soll nicht das klassische Internet ersetzen, sondern zusammenarbeiten“, sagte Stephanie Wehner, eine gebürtige Deutsche, die das QIA koordiniert und Professorin für Quanteninformation an der Technischen Universität Delft in den Niederlanden ist. „Wir werden Netflix nicht ersetzen.“
Ein Schlüsselkonzept der Quantenphysik ist die Verschränkung. Wenn zwei Teilchen miteinander verschränkt sind, besitzen sie unabhängig davon, wie weit sie im Raum voneinander entfernt sind, ähnliche Eigenschaften – zum Beispiel haben beide das gleiche Maß für etwas, das „Spin“ genannt wird, eine Quantenversion der Richtung, in der sich die Teilchen drehen.
Der Spinzustand der Teilchen ist erst klar, wenn man sie beobachtet. Bis dahin befinden sie sich in mehreren Zuständen, die als Überlagerung bezeichnet werden.
Aber wenn man eines beobachtet, wird der Zustand beider Teilchen bekannt.
Möglichkeiten in Hülle und Fülle
Dies ist bei der sicheren Kommunikation nützlich. Menschen, die eine Quantenübertragung hacken, würden eine offensichtliche Spur ihres Versuchs hinterlassen, indem sie eine Zustandsänderung eines beobachteten Teilchens bewirken.
„Wir können die Eigenschaften der Quantenverschränkung nutzen, um eine sichere Kommunikation zu erreichen, die wahrscheinlich auch dann sicher ist, wenn der Angreifer über einen Quantencomputer verfügt“, sagte Wehner.
Die sichere Kommunikation, die ein Quanteninternet bietet, könnte ein viel breiteres Anwendungsspektrum eröffnen, das weit über die Grenzen des klassischen Internets hinausgeht.
In der Medizin beispielsweise ermöglicht die Physik der Verschränkung ein Maß an Uhrensynchronisation, das die Telechirurgie verbessern kann.
„Wenn ich eine Operation an einem entfernten Knoten durchführen möchte, möchte ich, dass dies sehr genau zeitlich festgelegt wird, um keine Fehler zu machen“, sagte Wehner.
Die Astronomie ist ein weiterer potenzieller Nutznießer.
Teleskope, die Fernbeobachtungen durchführen, könnten „ein Quanteninternet nutzen, um eine Verschränkung zwischen den Sensoren zu erzeugen und so ein viel besseres Bild des Himmels zu erhalten“, sagte Wehner.
Ein weiteres Beispiel könnten Geldautomaten sein.
Wenn derzeit ein Geldautomat abstürzt, während eine Person Geld abhebt, geht der Automat davon aus, dass kein Bargeld ausgegeben wurde, während ein anderer Automat eine Geldabhebung registriert. Ein Quanteninternet könnte diese Diskrepanz beseitigen.
Viele Anwendungen eines Quanteninternets werden wahrscheinlich erst sichtbar, wenn die Technologie entwickelt ist.
„Es bietet eine ganze Reihe neuer Möglichkeiten, Raum und Zeit präzise zu messen und zu untersuchen, wie die Welt und das Universum funktionieren“, sagte Lanyon.
Distanztest
Der Trick besteht nun darin, ein Quanteninternet so zu vergrößern, dass viele Teilchen über große Entfernungen genutzt werden können.
Lanyon und sein Team haben außerdem gezeigt, dass die Kommunikation nicht nur zwischen einzelnen Teilchen, sondern auch zwischen „Zügen“ von Teilchen – in diesem Fall Lichtteilchen, sogenannten Photonen – kommuniziert und so die Verschränkungsrate zwischen Quantenknoten beschleunigt.
„Wenn man jeweils nur ein Photon sendet, muss man die Reisezeit abwarten“, sagte er. „Aber wenn man Züge aus vielen Photonen gleichzeitig erzeugen kann, kann man die Verschränkungsrate zwischen Quantenknoten für die von uns gewünschten Entfernungen erhöhen.“
Das ultimative Ziel besteht darin, Quantenknoten auf viel größere Reichweiten auszudehnen, vielleicht 500 Kilometer, und einen Prototyp eines Quanteninternets zu schaffen, das abgelegene Städte verbinden kann – ähnlich wie das klassische Internet auf verschiedenen Knoten beruht, um ein globales Internet zu schaffen.
Während es für spezielle Anwendungen bereits im Jahr 2029 ein Quanteninternet geben könnte, scheuen Experten davor zurück, Vermutungen darüber anzustellen, wann eine Vollversion für vielfältige Einsatzzwecke verfügbar sein könnte.
„Das ist eine sehr schwierige Frage“, sagte Wehner.
Während die QIA die Komponenten und Systeme des Quanteninternets weiterentwickelt, arbeitet Europa auch daran, selbst Quantencomputer zu entwickeln.
Im Juni 2023 gab eine öffentlich-private Partnerschaft der EU – das European High Performance Computing Joint Undertaking – dies bekannt sechs Länder in Europa würde Quantencomputer beherbergen. Bei den Ländern handelt es sich um die Tschechische Republik, Frankreich, Deutschland, Italien, Polen und Spanien.
Ziel ist es sicherzustellen, dass Europa an der Spitze der Revolution der Quantentechnologien steht. Von Quantencomputern wird erwartet, dass sie über eine beispiellose Rechenleistung mit vielen Einsatzmöglichkeiten verfügen, einschließlich der Fähigkeit, die kryptografischen Algorithmen zu knacken, die die meisten Austauschvorgänge im aktuellen Internet sichern.
Überfülltes Feld
Angesichts der Prognosen, dass bis zum Ende des Jahrzehnts die Hälfte der am häufigsten verwendeten kryptografischen Systeme kaputt sein wird, ist Europa kaum die einzige interessierte Partei.
China und die USA haben in den letzten Jahren Fortschritte im Quantencomputing und im Quanteninternet gemacht.
Was die Infrastruktur betrifft, unternimmt Europa weitere Schritte. Es entwickelt sich ein integriertes Weltraum und terrestrische Infrastruktur für sichere Kommunikation – eine Art Baustein für das Quanteninternet.
„Ich bin sehr stolz, sagen zu können, dass wir in vielen Bereichen weltweit führend sind“, sagte Wehner.
Während in allen interessierten Ländern noch viel zu tun bleibt, signalisieren die potenziellen Vorteile bald weitere Fortschritte und Durchbrüche.
„Die Menschen entwickeln mit ziemlich hoher Geschwindigkeit neue Anwendungen von Quantennetzwerken“, sagte Lanyon.