Neue Repeater für sichere Quantennetzwerke der Zukunft

Jeder kennt sie von zuhause, wo sie häufig in abgelegenen Steckdosen ihr Dasein fristen und das heimische WLAN auch in die Ecken der Wohnung schicken, für die der Router ansonsten zu schwach wäre: Repeater. Richtig platziert erweitern die kleinen Geräte die Reichweite des Netzwerks erheblich.

Im Fokus stehen Repeater schon seit einigen Jahren auch bei Forschenden in Deutschland – allerdings nicht die allseits bekannten Produkte aus dem Elektromarkt, sondern sogenannte „Quanten-Repeater“. Diese Geräte bräuchte es, um künftig funktionierende Netzwerke aus Quantencomputern zu schaffen, einer neuen Generation von Computern, die um ein Vielfaches leistungsfähiger wären als herkömmliche Maschinen.

Das neue Forschungsprojekt „Quantenrepeater.Net (QR.N)“ will jetzt deutliche Fortschritte bei der Entwicklung von Quantennetzwerken erzielen. Beteiligt sind 42 Partner aus Forschung und Industrie – darunter auch der Würzburger Wissenschaftler Sven Höfling, Leiter des Lehrstuhls für Technische Physik an der Julius-Maximilians-Universität (JMU). Ab Januar 2025 fördert das Bundesforschungsministerium (BMBF) QR.N über einen Zeitraum von drei Jahren mit einer Summe von 20 Millionen Euro.

Abhörsichere Netzwerke

Quantennetzwerke könnten künftig von entscheidender Bedeutung sein für freie Gesellschaften und den Schutz kritischer Infrastruktur: Sie wären deutlich resistenter gegenüber IT-Sabotageakten, Spionage und Hackerangriffen als herkömmliche Systeme. „Grund dafür sind die quantenphysikalischen Eigenschaften solcher Netzwerke“, erklärt Sven Höfling. „Die Übertragung der Informationen erfolgt durch einzelne Lichtteile mit unbekanntem Quantenzustand. Weil sie nicht kopiert werden können, macht das die Übertragung abhörsicher, sofern man eine passende Codierung verwendet.“

Für die Übertragung der Information über längere Strecken braucht es Quanten-Repeater: „Das liegt daran, dass einzelne Lichtteilchen in der Glasfaser leider irgendwann auch absorbiert würden“, so Höfling. Anstatt das Lichtteilchen zu messen und dadurch an die codierte Information zu kommen, nutzt der Repeater die sogenannte Verschränkung einzelner Lichtteilchen aus. „Verschränkung bedeutet, dass die Teilchen die gleichen Eigenschaften besitzen und gemeinsam manipuliert werden –auch wenn nur eines der Teilchen in der Entfernung verändert. Der Quanten-Repeater überträgt die Verschränkung von einem Teilchenpaar auf ein anderes. Dadurch lässt sich auch der Verlust in der Glasfaser überwinden.“

Von Würzburg aus werden Halbleiterbauteile entwickelt, mit deren Hilfe verschränkte Lichtteilchen erzeugt werden können. „Zudem sollen diese Bauteile es ermöglichen, die Quanteninformation des einen Lichtteilchens kurz auf einem Elektron im Bauteil zu speichern, was dann wieder mithilfe von Licht ausgelesen wird“, erklärt Tobias Huber-Loyola, einer der Nachwuchsgruppenleiter am Lehrstuhl für Technische Physik. „So kann man die Verschränkung zwischen zwei Lichtteilchenpaaren vom einen auf das andere übertragen.“ Bei einem Demonstrator-Experiment will das Würzburger Team dann bereits drei Parteien abhörsicher miteinander verknüpfen.

Ergänzend dazu wird an der JMU an einem neuartigeren Ansatz geforscht, der es ermöglichen soll, die Quanten-Repeater ohne das Speichern der Quanteninformation im Halbleiter zu bauen, da die Speicherzeiten von Quanteninformation auf einzelnen Elektronen durch Wechselwirkung mit ihrer Umgebung stark begrenzt sind.

Sichere Netzwerke aus hochleistungsfähigen Computern schaffen

Die Entwicklung von Quanten-Repeatern ist jedoch ein herausforderndes Unterfangen. „Unser Projekt stellt eine enorme technische Herausforderung dar“, erklärt Christoph Becher, Professor für Quantenoptik an der Universität des Saarlandes und 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 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. Gatteroperationen sind grundlegende Rechenoperationen, die auf Quanteninformation angewandt wird, um ihren Zustand zu verändern – ähnlich wie logische Operationen in klassischen Computern. „Das soll einen Quantenvorteil bei der Übertragung erzielen und die Fehlerkorrektur für leistungsstärkere Quanten-Repeater-Protokolle ermöglichen“.

Die richtigen Materialien für Quantennetzwerke finden

Eine weitere Forschungsfrage, der sich die Beteiligten von „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 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.

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 Quanten-Repeater 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 etablierten Brüder und Schwestern in den Steckdosen landauf, landab. Ihre Bedeutung für unsere Gesellschaft wird dafür umso größer sein.

Hintergrund zum Projekt

Das Projekt „Quantenrepeater.Net (QR.N)“ basiert auf Ergebnissen des ebenfalls BMBF-geförderten Forschungsvorhabens „Quantenrepeater.Link (QR.X)“, das unter der Federführung von Christoph Becher von 2021 bis Ende 2024 bundesweit die Grundlagen für die Entwicklung eines Quantenrepeaters erforscht hat. Diesem waren seit 2010 weitere Projekte vorangegangen.

Kontakt

Prof. Dr. Sven Höfling, Leiter des Lehrstuhls für Technische Physik, Tel. +49 931 31-83613, sven.hoefling@uni-wuerzburg.de

Prof. Dr. Christoph Becher, Professor für Quantenoptik an der Universität des Saarlandes und Sprecher des Forschungsverbundes QR.N, Tel. +49 681 30-22466, christoph.becher@physik.uni-saarland.de