Auf dem Weg zum Quanten-Internet: Forscher etablieren Quanten-Netzwerk mit acht Nutzern

Elektronische Übertragungen bergen immer auch das Risiko, dass die Kommunikation abgefangen wird. Dank quantenphysikalischer Phänomene könnte es eines Tages möglich sein, Daten mittels Quantenkommunikation zu übertragen – abhörsicher und über große Entfernungen hinweg. Forschern der University of Bristol ist es nun gelungen, ein gut skalierbares Quantennetzwerk zu entwickeln, in dem mehrere Nutzer ohne teure Hardware-Knoten untereinander kommunizieren können. In ersten Tests stellte sich das neu entwickelte Quanten-Netzwerk als sehr stabil und zuverlässig heraus.

Skalierbarkeit der Quantennetzwerke ist ein Problem

Bei der Quantenkommunikation werden Informationen durch Laserphotonen übertragen. Dies kann über das städtische Glasfasernetz, per unterseeischem Kabel oder auch durch die Luft geschehen. Die Quantenschlüssel in Form verschränkter Photonenpaare, die für diese Art der Kommunikation nötig waren, ließ sich bisher allerdings nur zwischen zwei Nutzern teilen. Für größere Netzwerke oder sogar die Vision, eines Tages eine Art Quanten-Internet aufzubauen, ist es aber notwendig, die Quantenschlüssel zwischen mehr als zwei Nutzern zu teilen. Bisher wurden dafür zusätzliche Hardware-Knoten benötigt, die das Netzwerk allerdings unsicherer machen. Alternativ können Schaltungen verwendet werden, sodass zumindest nacheinander wechselnde Nutzerpaare in einem Netzwerk kommunizieren können.

„ Bisher nutzte man für die Ausdehnung des Netzwerks aufwändige Infrastruktur und ein System, das für jeden zusätzlichen Nutzer einen weiteren Transmitter und Receiver benötigt. Botschaften auf diese Weise auszutauschen – über sogenannte trusted nodes – ist aber nicht optimal, weil es viel zusätzliche Hardware braucht und die Sicherheit verringert„, so Siddarth Joshi von der University of Bristol, der Erstautor der Studie.

Quantennetzwerk mit acht Nutzern ohne zusätzliche Hardware-Knoten

Joshi und sein Team haben eine Möglichkeit gefunden, mit weniger Hardware und Aufwand ein Quanten-Netzwerk aufzubauen, in dem die Nutzer mit jedem anderen Nutzer Quantenschlüssel austauschen können, ohne dass dafür zusätzliche Hardware-Knoten oder Schaltungen benötigt werden. Um dies zu ermöglichen, verwenden die Forscher das Prinzip des schon in der Telekommunikation verwendeten Multiplexings, mit den Signale auf bestimmte Art und Weise gebündelt oder aufgespaltet werden können. Dabei nutzen die Forscher halbtransparente Spiegel, um die Strahlen verschränkter Atome aufzusplitten. „ Da wir verschiedene Wellenlängen nutzen, können die Kommunikationspartner sich auf die jeweils relevante Wellenlänge konzentrieren und die restlichen Photonen ignorieren„, so Sören Wengerowsky vom Institut für Quantenoptik und Quanteninformation Wien, der an der Studie beteiligt war.

So entsteht am Ende ein Quanten-Netzwerk mit acht Nutzern, die untereinander frei kommunizieren können. Letztlich können also 28 mögliche Nutzerpaare untereinander Quantenschlüssel austauschen. „ Die physische Ebene des Netzwerks entspricht einer einfachen Nabe-und-Speichen-Struktur, während auf der logischen Ebene jedes Nutzerpaar immer ein verschränktes Photonenpaar teilt„, erläutern die Forscher.

Netzwerk wurde im öffentlichen Glasfasernetz getestet

Das Netzwerk wurde bisher nicht nur um Labor, sondern auch in einem stadtweiten Quantennetz über das öffentliche Glasfasernetz von Bristol getestet. „ Die 28 möglichen Nutzerverbindungen hatten dabei räumliche Entfernungen von zehn Metern bis zu 16,6 Kilometern. Wir haben das Netzwerk im Experiment 17 Stunden am Laufen gehalten und Datenraten zwischen fünf und 300 Bit pro Sekunde erreicht„, fassen die Forscher ihre Ergebnisse zusammen. Für optimale Sicherheit in diversen Anwendungen wäre zwar noch eine Erhöhung der Datenrate nötig, aber die Forscher sehen durchaus Möglichkeiten, dies zu erreichen.

„ Unseres Wissens nach haben wir damit das bisher größte Quanten-Netzwerk ohne trusted nodes demonstriert. Die neue Technologie hat damit nicht nur den Vorteil, völlig abhörsicher zu sein, sie benötigt auch nur minimale Hardware, weil sie sich gut mit existierender Technologie integrieren lässt. Das ist ein entscheidender Durchbruch„, so Joshi. „ Bisher erforderte der Aufbau eines Quanten-Internets enorme Kosten, Zeit und Ressourcen und schmälerte noch dazu die Sicherheit der Verbindungen – was den Zweck einer Quantenkommunikation konterkariert. Unsere Lösung ist skalierbar, relativ günstig und – am wichtigsten von allen – unknackbar„, fährt der Wissenschaftler fort.

via University of Bristol