Jeder kennt sie von zuhause, wo sie in abgelegenen Steckdosen ihr Dasein fristen und das heimische WLan in die Ecken der Wohnung schicken, die alleine mit dem Router sonst nicht erreichbar wären: Repeater. Diese kleinen Geräte erweitern, geschickt platziert, die Reichweite der Datenübertragung erheblich.
An Repeatern forschen auch viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Deutschland, darunter auch Christoph Becher, Professor für Quantenoptik an der Universität des Saarlandes, und sein Kollege Jürgen Eschner, Professor für Quanten-Photonik. Allerdings sind es nicht Repeater, die man für ein paar Euro im Elektromarkt kaufen kann, sondern ungleich komplexere Quantenrepeater, denen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ihre Aufmerksamkeit widmen. Im nun neu eingerichteten Forschungsprojekt „Quantenrepeater.Net (QR.N)“, das vom Bundesforschungsministerium gefördert wird, wollen insgesamt 42 Partner aus Forschung und Industrie weitere Fortschritte bei der Erforschung und Einrichtung von Quantennetzwerken machen.
Das Forschungsprojekt „Quantenrepeater.Net (QR.N)“: Partner und Ziele
Solche Netzwerke können in Zukunft von entscheidender Bedeutung für freie Gesellschaften und den Schutz unserer kritischen Infrastruktur sein – man halte sich nur die rasch steigende Zahl von IT-Sabotageakten vor Augen, von Spionage und Hackerangriffen, die unsere vernetzte Welt immer stärker ins Wanken bringen. Quantennetzwerke böten hier ein ganz neues Level an Sicherheit. Denn aufgrund der quantenphysikalischen Grundlagen, auf denen ein solches Netzwerk basiert, sind diese extrem sicher vor Spionage oder Sabotage. Quantenrepeater, die eine sichere Übertragung von Informationen auch über größere Distanzen hinweg erlauben und dadurch Quantennetzwerke ermöglichen, liefern daher einen wichtigen Beitrag bei der Einrichtung einer quantengesicherten IT-Infrastruktur. Darüber hinaus bieten sie die Perspektive der sicheren Vernetzung zukünftiger Quantencomputer.
Doch das ist natürlich ein herausforderndes Unterfangen. „Die Realisierung von Quantenrepeatern und perspektivisch von Ende-zu-Ende-Quantennetzwerken stellt eine enorme technische Herausforderung dar“, erklärt Christoph Becher, der Sprecher des Forschungsverbundes. Die Quantenzustände für die Kommunikation im Quantennetzwerk, müssen mit hoher Qualität erzeugt, zwischengespeichert und möglichst verlustfrei übertragen werden. Um aus einer einfachen Verbindung zwischen zwei Punkten aber ein ganzes Netzwerk entstehen zu lassen, braucht es Knotenpunkte, die diese Quantenzustände zwischenspeichern und für die Übertragung zum nächsten Knoten sorgen – Repeater eben.
„Zum einen möchten wir zwischen zwei Endpunkten einer Netzwerkverbindung Zwischenknoten einrichten, an diesen Knoten Quantenspeicher einbauen und Gatteroperationen durchführen“, erklärt Christoph Becher. „Das soll einen Quantenvorteil bei der Übertragung erzielen und die Fehlerkorrektur für leistungsstärkere Quantenrepeater-Protokolle ermöglichen“.
Eine weitere Forschungsfrage, der sich die Partner in „QR.N“ widmen, betrifft die Hardware, auf der das Quantennetzwerk basiert. Denn bisher gibt es noch keine Hardware-Basis, die sich in der Forschung durchgesetzt hat. Grundlage für Quantenspeicher und Quantennetzwerke können einzelne Atome und Ionen sein, Halbleiterstrukturen, künstliche Atome in Diamanten und Selten-Erd-Atome. „Daher möchten wir außerdem nach plattformübergreifenden Methoden und Protokollen suchen und verschiedene Hardware-Plattformen zu hybriden Systemen zusammenfassen, um am Ende hardwareunabhängige Quantenknoten zu erlangen“, führt Professor Becher ein weiteres Ziel des Forschungsverbunds aus. Zudem möchten die beteiligten Einrichtungen bestehende „klassische“ Kommunikationsnetzwerke mit Methoden der Quantenverschränkung, dem Grundprinzip der Quantentechnologie, unterstützen.
Die Suche nach der richtigen Hardware-Plattform
Ein erklärtes Ziel des Projektkonsortiums ist es, die Grundlage dafür zu erarbeiten, dass in einigen Jahren eine „quantengesicherte Kommunikation“ in Deutschland aufgebaut werden kann. Diese ist von hoher gesellschaftlicher Bedeutung, insbesondere, was die IT-Sicherheit und den Schutz kritischer Infrastruktur anbelangt. „Längerfristig werden Quantenrepeater somit zur Entwicklung einer Quanten-Informationstechnologie für öffentliche Kommunikationssysteme beitragen“, formuliert Christoph Becher eines der übergeordneten Ziele des Forschungsprojekts.
Quantenrepeater werden also keine Elektronikmarkt-Massenware werden wie ihre unscheinbaren Brüder und Schwestern in den Steckdosen landauf, landab. Aber ihre Bedeutung für unsere Gesellschaft wird umso größer sein.
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