Forscher von Toshiba haben erfolgreich Quanteninformationen über 600 Kilometer lange Glasfasern gesendet, einen neuen Distanzrekord aufgestellt und den Weg für groß angelegte Quantennetzwerke geebnet, mit denen Informationen sicher zwischen Städten und sogar Ländern ausgetauscht werden könnten.
Die Wissenschaftler des Forschungs- und Entwicklungslabors des Unternehmens in Cambridge in Großbritannien zeigten, dass sie Quantenbits (oder Qubits) über Hunderte von Kilometern Glasfaser übertragen können, ohne die fragilen Quantendaten, die in der Partikel, dank einer neuen Technologie, die die in der Faser auftretenden Umweltschwankungen stabilisiert.
Dies könnte einen großen Beitrag zur Schaffung eines Quanteninternets der nächsten Generation leisten, von dem Wissenschaftler hoffen, dass es eines Tages globale Entfernungen überspannen wird.
Das Quanteninternet, das die Form eines globalen Netzwerks von Quantengeräten annehmen wird, die über Quantenkommunikationsverbindungen über große Entfernungen verbunden sind, soll Anwendungsfälle ermöglichen, die mit den heutigen Webanwendungen unmöglich sind. Sie reichen von der Erzeugung praktisch nicht hackbarer Kommunikation bis hin zur Schaffung von Clustern miteinander verbundener Quantengeräte, die zusammen die Rechenleistung klassischer Geräte übertreffen könnten.
Aber um zu kommunizieren, müssen Quantengeräte Qubits senden und empfangen – winzige Teilchen, die in einem speziellen, aber extrem fragilen Quantenzustand existieren. Die Suche nach dem besten Weg, Qubits zu übertragen, ohne dass sie aus ihrem Quantenzustand fallen, hat Wissenschaftler auf der ganzen Welt seit vielen Jahren am Kopf zerkratzt.
Ein Ansatz besteht darin, Qubits durch optische Fasern zu schießen, die Quantengeräte verbinden. Die Methode war erfolgreich, aber in ihrem Umfang begrenzt: Kleine Veränderungen in der Umgebung, wie Temperaturschwankungen, führen dazu, dass sich die Fasern ausdehnen und zusammenziehen und riskieren, die Qubits durcheinander zu bringen.
Aus diesem Grund waren Experimente mit Glasfasern bisher typischerweise auf eine Reichweite von Hunderten von Kilometern beschränkt; mit anderen Worten, bei weitem nicht genug, um das groß angelegte, globale Quanten-Internet zu schaffen, das sich Wissenschaftler ausgedacht haben.
Um den instabilen Bedingungen in Glasfasern zu begegnen, entwickelten die Forscher von Toshiba eine neue Technik namens “Dualband-Stabilisierung”. Das Verfahren sendet zwei Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen über die Glasfaser. Die erste Wellenlänge dient dazu, schnell variierende Schwankungen auszugleichen, während die zweite Wellenlänge, die auf der gleichen Wellenlänge wie die Qubits liegt, zur Feineinstellung der Phase verwendet wird.
Einfach ausgedrückt, die beiden Wellenlängen kompensieren in Echtzeit Umweltschwankungen innerhalb der Faser, was laut Toshibas Forschern eine sichere Reise der Qubits über 600 Kilometer ermöglichte.
Das Team des Unternehmens hat die Technologie bereits genutzt, um eine der bekanntesten Anwendungen von Quantennetzwerken zu testen: die quantenbasierte Verschlüsselung.
Das als Quantum Key Distribution (QKD) bekannte Protokoll nutzt Quantennetzwerke, um Sicherheitsschlüssel zu erstellen, die nicht gehackt werden können, was bedeutet, dass Benutzer vertrauliche Informationen wie Kontoauszüge oder Krankenakten sicher über eine nicht vertrauenswürdige . austauschen können Kommunikationskanal wie das Internet.
Während einer Kommunikation funktioniert QKD, indem eine der beiden Parteien ein Datenelement verschlüsselt, indem sie den Kryptografieschlüssel auf Qubits codiert und diese Qubits dank eines Quantennetzwerks an die andere Person sendet. Aufgrund der Gesetze der Quantenmechanik ist es jedoch für einen Spion unmöglich, die Qubits abzufangen, ohne ein Abhörzeichen zu hinterlassen, das für die Nutzer sichtbar ist – die wiederum Maßnahmen zum Schutz der Informationen ergreifen können.
Im Gegensatz zur klassischen Kryptographie verlässt sich QKD daher nicht auf die mathematische Komplexität der Lösung von Sicherheitsschlüsseln, sondern nutzt die Gesetze der Physik. Dies bedeutet, dass selbst die leistungsstärksten Computer die Qubits-basierten Schlüssel nicht hacken könnten. Es ist leicht zu verstehen, warum die Idee die Aufmerksamkeit von Akteuren aus allen Teilen auf sich zieht, von Finanzinstituten bis hin zu Geheimdiensten.
Toshibas neue Technik zur Reduzierung von Fluktuationen in Glasfasern ermöglichte es den Forschern, QKD über eine viel größere Distanz als bisher möglich durchzuführen. „Das ist ein sehr spannendes Ergebnis“, sagt Mirko Pittaluga, Forscher bei Toshiba Europe. „Mit den von uns entwickelten neuen Techniken sind noch weitere Erweiterungen der Kommunikationsdistanz für QKD möglich und unsere Lösungen lassen sich auch auf andere Quantenkommunikationsprotokolle und Anwendungen übertragen.“
Wenn es um die Durchführung von QKD mit Glasfaser geht, ist die 600-Kilometer-Marke von Toshiba ein Rekordbrecher, von dem das Unternehmen prognostiziert, dass sichere Verbindungen zwischen Städten wie London, Paris, Brüssel und Amsterdam hergestellt werden können und Dublin.
Andere Forschungsgruppen haben sich jedoch auf andere Methoden zur Übertragung von Qubits konzentriert, die es ermöglicht haben, QKD über noch größere Entfernungen zu erreichen. Chinesische Wissenschaftler zum Beispiel verwenden eine Mischung aus satellitengestützten Übertragungen, die mit Glasfasern am Boden kommunizieren, und konnten kürzlich QKD über eine Gesamtentfernung von 4.600 Kilometern durchführen.
Jeder Ansatz hat seine Vor- und Nachteile: Der Einsatz von Satellitentechnologien ist teurer und könnte schwieriger zu skalieren sein. Aber eines ist sicher: Forschergruppen in Großbritannien, China und den USA experimentieren mit Hochdruck daran, Quantennetzwerke Wirklichkeit werden zu lassen.
Toshibas Forschung wurde teilweise von der EU finanziert, die großes Interesse an der Entwicklung der Quantenkommunikation zeigt. Unterdessen weist Chinas jüngster Fünfjahresplan auch Quantennetzwerken einen besonderen Platz zu. und die USA haben kürzlich eine Blaupause veröffentlicht, die Schritt für Schritt zum Aufbau eines globalen Quanten-Internets führt.
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