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(Quelle: Ozz Design/Shutterstock.com)

Die Quantentechnologien sind faszinierend. Sobald sie sich einmal durchgesetzt haben, können sie das Profil vieler technologiebasierter Anwendungen grundlegend verändern. Zwar sind sie noch nicht ganz ausgereift, aber Wissenschaftler haben es bereits geschafft, Geräte zu entwickeln, die Daten über Quantennetzwerke übertragen können, wenn auch nur für wenige Nanosekunden bei niedrigen Temperaturen. Dennoch werden Fortschritte erzielt, getrieben von den Halbleitern als elementare Bausteine. Betrachtet man die enormen Fortschritte, die in den letzten Jahrzehnten in den klassischen Computertechnologien erzielt wurden, dann sind die Quantentechnologien womöglich gar nicht so fern, wie viele denken.

Quantentechnologien werden in vielerlei Hinsicht wertvoll sein, insbesondere für alle Geräte, bei denen ein Computerchip zum Einsatz kommt, denn sie ermöglichen mehr gleichzeitige Operationen, und zwar mit einer höheren Geschwindigkeit als moderne Computer. Gleichzeitig bieten sie eine zusätzliche Verschlüsselungsebene, die in der heutigen Online-Welt dringend benötigt wird.

Das Qubit

Die Grundlage jeder Quantentechnologie ist das Quantenbit, das auch als Qubit bezeichnet wird. Es ist einem klassischen Rechenbit ähnlich, gleichzeitig unterscheidet es sich jedoch stark von diesem. Qubits sind die Bausteine von Quantennetzwerken, ähnlich wie die klassischen Bits in herkömmlichen Netzwerken. Klassische Rechenbits sind gemeinhin als Binärbits bekannt und können zwei Zustände annehmen: entweder den Zustand 1 oder den Zustand 0. Qubits können auch die Zustände einer 1 oder 0 annehmen, aber es gibt einen dritten Zustand, der mit klassischen Bits nicht möglich ist, und zwar die Überlagerung, die entweder den Zustand einer 1 oder einer 0 annehmen kann. Da die Überlagerung beide Formen annehmen kann, können Operationen in beiden Werten gleichzeitig ausgeführt werden. Das ist mit klassischen Netzwerken nicht möglich. Dies ist einer der wichtigsten Gründe, warum Quantennetzwerke in der Lage sind, mehrere Operationen mit wesentlich höheren Geschwindigkeiten als klassische Netzwerke zu verarbeiten.

Abbildung 1: Qubits, die Bausteine von Quantennetzwerken, können in drei Zuständen auftreten und einen unendlichen Wert besitzen. (Quelle: Production Perig/Shutterstock.com)

Aufbau von Quantennetzwerken

In jedem der drei Zustände kann jedes Qubit einen unendlichen Wert besitzen. Dies führt zu einem Kontinuum von Zuständen, in denen jedes Qubit eins wird und nicht mehr vom anderen unterscheidbar ist. Das einzelne Qubit nutzt den Spin der Elektronen und die Polarisation der Photonen, um Daten zu speichern. Die Qubits können sich jedoch auch verschränken und verhalten sich dadurch wie ein einheitliches System. Somit kann jedes Quantennetzwerk als ein vollständiges System beschrieben und verwendet werden, und nicht als eine Reihe von Qubits.

Die Quantenverschränkung ist ein wichtiges Phänomen in Quantennetzwerken. Elektronen, Photonen, Atome und Moleküle können sich in diesen Netzwerken verschränken. Die Verschränkung innerhalb eines Quantennetzwerks erstreckt sich auch über große Entfernungen. Wenn ein Teil des Quantennetzwerks gemessen wird, können die Eigenschaften des/der entsprechenden verschränkten Qubits innerhalb dieses spezifischen Netzwerks als ein definitiver Wert abgeleitet werden. Auf diese Weise können viele Netzwerke aufgebaut werden, die alle unterschiedliche Werte und Eigenschaften haben, in denen aber alle Qubits in einem einzigen Netzwerk die gleiche Information teilen.

Die Quantenteleportation ist ein weiteres Phänomen, auf dem die Funktionsweise von Quantentechnologien basiert. Vom Wesen her ähnelt sie der Quantenverschränkung. Quantenteleportation ist ein Prozess, bei dem die Daten und/oder Informationen, die sich im Qubit befinden – das dort durch die Spin-Bewegung der Elektronen nach oben oder unten sowie durch die Polarisierung der Photonen in vertikaler oder horizontaler Ausrichtung gehalten wird – von einem Ort zum anderen transportiert werden, ohne das Qubit selbst zu transportieren.

Die meisten Qubits verschränken sich in diesen Netzwerken; wenn jedoch Zweifel bestehen, dass sie sich nicht verschränkt haben, können sie mit Hilfe der Koinzidenzkorrelation geprüft werden. Die Koinzidenzkorrelation geht davon aus, dass ein verschränktes Netzwerk immer nur ein Photon zur gleichen Zeit emittieren kann. Sie können mehrere Photodetektoren verwenden, um zu ermitteln, wie viele Photonen von einem einzelnen Netzwerk emittiert werden. Wenn mehr als ein Photon gleichzeitig erfasst wird, kann man davon ausgehen, dass das Quantennetzwerk kein Einzelphotonensystem ist und daher nicht verschränkt ist.

Die physische Infrastruktur

Die Materialien, aus denen die Qubits bestehen, sind ein wesentlicher Bestandteil beim Aufbau eines Quantennetzwerks. Das Quantensystem wird durch die Manipulation physikalischer Materialien gebildet. Daher sind die Eigenschaften und Merkmale der Materialien, die zum Aufbau eines Quantennetzwerks verwendet werden, ein wichtiger Aspekt. Damit ein Material als Baustein einer Quantentechnologie betrachtet werden kann, muss es langlebige Spinzustände besitzen, die es kontrollieren kann, und in der Lage sein, parallele Qubit-Netzwerke zu betreiben.

Beim Aufbau eines Quantennetzwerks sind ebenfalls viele physikalische Komponenten beteiligt. Eines der wichtigsten Elemente, die ein Quantensystem benötigt, sind Kommunikationsleitungen zwischen den einzelnen Netzwerken. Wie beim klassischen Computersystem verlaufen diese Kommunikationsverbindungen zwischen Endknoten. Diese Knoten stellen die Informationen dar, die in einem einzelnen Quantennetzwerk gespeichert sind, und dies wird für größere und/oder komplexe Quantennetzwerke, in denen viele verschiedene Arten von Informationen innerhalb des Quantensystems gespeichert sind, immer wichtiger. Diese Endknoten können in vielen verschiedenen Formen auftreten, wobei die folgenden derzeit am gängigsten sind:

• Strahlteiler
• Photodetektoren
• Telekommunikations-Laser
• Quantengatter
• Ionenfallen

Für ein funktionierendes Quantennetzwerk sind zwei weitere physische Komponenten entscheidend: Kommunikationsleitungen und Quanten-Repeater. Die physischen Kommunikationsleitungen stehen derzeit in zwei Hauptformen zur Verfügung, nämlich als Glasfasernetze und Freiraumnetze, und beide funktionieren unterschiedlich. In physischen Kommunikationsleitungen aus Glasfaserkabeln wird durch Dämpfung eines Telekommunikationslasers ein einzelnes Photon gesendet, und der Weg des Photons wird durch eine Reihe von Interferometern und Strahlteilern gesteuert, bevor es von einem Photodetektor erfasst und empfangen wird. Freiraumnetzwerke hingegen sind auf eine Sichtverbindung zwischen den beiden Enden des Kommunikationsweges angewiesen. In ihrer jetzigen Form können beide über große Entfernungen eingesetzt werden, aber Freiraumnetzwerke weisen weniger Interferenzen auf, haben höhere Übertragungsraten und sind schneller als Glasfasernetzwerke.

Die andere wichtige Komponente ist der Repeater. Er sorgt dafür, dass das Quantennetzwerk sein Signal nicht verliert oder durch Dekohärenz – das ist der Informationsverlust durch Umgebungsrauschen – beeinträchtigt wird. In klassischen Netzwerken ist dies in der Regel unkompliziert, da ein Verstärker das Signal einfach verstärkt. Bei Quantennetzwerken ist es wesentlich komplizierter. In Quantennetzwerken sind eine Reihe von vertrauenswürdigen Repeatern, Quanten-Repeatern, Fehlerkorrekturen und Verschränkungsaufbereitungsmechanismen erforderlich, um die Infrastruktur zu testen, die Verschränkung der Qubits aufrechtzuerhalten, Kommunikationsfehler im Nahbereich zu erkennen und den Grad der Dekohärenz im Netzwerk zu minimieren.

Eine zusätzliche Verschlüsselungsebene

Durch die Quantenschlüsselverteilung kann in Quantennetzwerke eine zusätzliche Sicherheitsebene integriert werden. Sie nutzt die Prinzipien der Quantenmechanik, um kryptographische Operationen durchzuführen. Dies ist besonders nützlich, wenn zwei Personen über ein Quantennetzwerk kommunizieren oder Daten von einem Ort zum anderen übertragen werden. Das Verschlüsselungsverfahren verwendet zufällig polarisierte Photonen, um eine zufällige Zahlenfolge zu übertragen. Diese Sequenzen fungieren dann als Schlüssel im Verschlüsselungssystem. Die Theorie hinter diesen kryptographischen Systemen ist, dass sie zwei Netzwerke – einen klassischen Kanal und einen Quantenkanal – zwischen zwei verschiedenen Kommunikationspunkten verwenden, wobei die beiden Kanäle jeweils unterschiedliche Funktionen erfüllen. Der klassische Kanal führt klassische Operationen aus und bietet die Möglichkeit, festzustellen, ob jemand versucht, sich in das Netzwerk zu hacken. Die Qubits, in denen die Daten enthalten sind, werden jedoch über den Quantenkanal gesendet. Das bedeutet, dass das klassische System zwar gehackt werden kann, dass aber die Hacker keine Informationen erhalten würden, da in diesem Kanal keine Informationen vorhanden sind. Die Art und Weise, wie diese Systeme in der Lage sind, zu erkennen, ob ein Netzwerk gehackt wurde, hängt von der Korrelation des Signals ab. Klassische Netzwerke sind hochgradig korreliert, und wenn zwischen Quelle und Empfänger im Kanal irgendwelche Unregelmäßigkeiten auftreten, weiß das System, dass ein Hackingversuch stattgefunden hat.

Fazit

Die Verwirklichung von Quantentechnologien in unseren alltäglichen Systemen mag zwar noch eine Weile auf sich warten lassen, aber diese Technologien haben das Potenzial, den Computer- und Kommunikationssektor zu revolutionieren. Die Fähigkeit von Quantennetzwerken, zu einem einzigen Netzwerk zu werden, in dem Informationen über große Entfernungen übertragen werden können, bietet viele Vorteile gegenüber klassischen Systemen. Dazu zählen beispielsweise die Möglichkeit schnellerer Datenübertragungsarten, die Fähigkeit, mehrere Operationen gleichzeitig durchzuführen, sowie hoch verschlüsselte Datenkommunikationskanäle.