Abenteuer Quanteninternet

Die physikalischen Grundlagen

Die Physiker sprechen bei dieser Form von Präparation von einer quantenmechanischen Verschränkung. „Dieser aus dem Alltagsblickwinkel äußerst eigentümlich erscheinende Zustand verknüpft zwei Quantenobjekte so miteinander“, erklärt Gerhard Rempe, Direktor der Abteilung Quantendynamik am MPQ, „dass diese ungewöhnlich innige Wechselbeziehung unabhängig von der Distanz zwischen den Partikeln bestehen bleibt.“ Rempe erläutert, was das bedeutet: „Wirkt man auf eines der beiden Quantenobjekte ein, zum Beispiel indem man ein bestimmtes Merkmal eines verschränkten Atoms experimentell bestimmt, so wird dadurch unwillkürlich – und ohne jede Zeitverzögerung – auch die entsprechende Eigenschaft des Partnerteilchens beeinflusst.“

Im Bild der Quantenmechanik befinden sich die beiden verschränkten Partikel in einer Überlagerung unterschiedlicher Zustände, zumindest so lange, bis an einem der beiden eine Messung vorgenommen wird. Sie zwingt das Teilchen in einen bestimmten Zustand – und sein Pendant durch den Effekt der Verschränkung genauso. Ob die beiden Partner dabei nur ein paar Atomdurchmesser, mehrere Meter oder Kilometer oder gar Lichtjahre voneinander entfernt sind, spielt keine Rolle.

Letztlich teilen sich die Teilchen einen gemeinsamen Zustand und lassen sich nicht mehr unabhängig voneinander beschreiben. Für die Entwicklung eines künftigen, großräumigen Quantennetzwerks bildet dieses bemerkenswerte Phänomen das entscheidende Fundament. Verschränkte Zustände – ein typisches Merkmal des Mikrokosmos – sind die Garanten für das sichere Horten und Austauschen von Informationen.

Diese unerschütterliche Datensicherheit ergibt sich nicht durch besonders clevere technische Kniffe, sondern einzig aus der Quantennatur der beteiligten Objekte. Wenn Daten durch verschränkte Paare von Teilchen übertragen werden, wirkt sich jeder Griff nach den Daten durch Dritte auf eines der Teilchen und unmittelbar auch auf das andere aus – und wird sofort bemerkt. „Man kann zwar eine Verbindung abhören, die Quantenteilchen zur Übertragung nutzt“, erläutert Sabine Hossenfelder, Physikerin am Münchner Zentrum für Mathematische Philosophie in der Grundlagenforschung und bild-der-wissenschaft-Kolumnistin. „Aber dann wissen die Kommunikationsteilnehmer, dass eine Abhörung stattfindet.“ Heimliches Lauschen ist ausgeschlossen. Denn bereits der leiseste Versuch fliegt auf.

Die zweite Quantenrevolution

Bereits seit Jahrzehnten nutzen viele technische Geräte quantenphysikalische Effekte: zum Beispiel Computer, Mobiltelefone, Digitalkameras und Solarzellen. Basis ist dabei unter anderem, dass Teilchen und Materiebausteine wie Atome, Moleküle und Elektronen nach den Regeln der Quantenmechanik nicht jeden beliebigen Energiezustand einnehmen können. Stattdessen sind physikalisch nur bestimmte Energiewerte oder Energiebereiche erlaubt, zwischen denen die Objekte wechseln können – wenn eine geeignete Portion Energie zugeführt oder abgegeben wird.

Neue Technologien, an deren Entwicklung die Forscher seit einiger Zeit arbeiten – zum Beispiel Quantencomputer, Quantenkryptografen und Quantensensoren (siehe Infokasten Seite 22, „Das Kabinett der Quantentechnologien“) –, machen sich hingegen nicht nur solche Quanteneffekte zu eigen. Vielmehr werden quantenphysikalische Eigenschaften gezielt so präpariert und kontrolliert, dass dadurch neuartige Anwendungsmöglichkeiten entstehen. Das gilt nicht zuletzt auch für ein Quanteninternet, in dem künftig einzelne Quantenobjekte, aber auch komplette Quantencomputer oder Quantensensoren, also hochempfindliche Messgeräte, miteinander vernetzt sein könnten.

„Die Forschung auf diesem Gebiet erschließt quantenphysikalische Phänomene, die zuvor technisch überhaupt nicht nutzbar waren“, stellt Max-Planck-Physiker Rempe fest. „Deshalb sprechen die Experten in diesem Zusammenhang mitunter auch von der ‚zweiten Quantenrevolution‘“. Sie folgt nun auf die erste Quantenrevolution, die beispielsweise Halbleitertransistoren und Laser hervorgebracht hat.

Das Wissen bleibt immer vage

Drei charakteristische Grundlagen von solchen neuartigen Quantentechnologien sind: die Heisenbergsche Unschärferelation, die Dekohärenz und eben die Verschränkung. Die nach dem deutschen Quantenphysiker Werner Heisenberg benannte Unschärferelation besagt, dass sich zum Beispiel der Ort eines Teilchens und sein Impuls, also auch seine Geschwindigkeit, niemals zugleich exakt bestimmen lassen. Ein gewisser Teil der Kenntnis über das Teilchen bleibt immer vage. Und je präziser man die eine Größe misst, desto weniger genau kennt man die andere. Das begründet unter anderem die Abhörsicherheit eines Informationsaustauschs mit einzelnen Photonen.

Das Phänomen der Dekohärenz beschreibt den Informationsgewinn, der entsteht, wenn Quantenteilchen unbeabsichtigt mit der Umgebung in Wechselwirkung treten und dabei der quantenmechanische Überlagerungszustand, die im Teilchen abgelegte Quanteninformation, zerstört wird.

Im Fokus der neuen Technologien wie der des Quanteninternets steht jedoch die Verschränkung, etwa von Atomen und Photonen, den Teilchen des Lichts. Diese besonders skurrile Quanteneigenschaft lag etlichen Wissenschaftlern, die vor mehr als 100 Jahren die Grundlagen der Quantentheorie entwickelt haben, schwer im Magen. Denn sie passte ganz und gar nicht zu dem, was die Physiker damals aufgrund der klassischen Vorstellungen über das Wesen der Welt zu wissen glaubten.

Unter den Zweiflern war auch Albert Einstein, der die Verschränkung von Objekten im Quantenkosmos recht abfällig als „spukhafte Fernwirkung“ bezeichnete und dahinter die Manifestation einer Unvollständigkeit in den Formeln der Quantenmechanik vermutete. Indem man diese Unzulänglichkeit aufspüren und tilgen würde, sollte auch das Phänomen der Verschränkung wieder aus dem physikalischen Weltbild verschwinden, war Einstein überzeugt. Seine Skepsis wurde auch dadurch genährt, dass sich der Effekt lange Zeit nicht experimentell belegen ließ. Erst eine Reihe von trickreichen Versuchen, deren geistige Väter dafür 2022 mit dem Physiknobelpreis geehrt wurden (siehe Beitrag S. 23, „Pioniere des Quantenkosmos“), räumten die Bedenken von Albert Einstein und anderen Wissenschaftlern beiseite.

Verschränkung als Grundprinzip

Inzwischen erzeugen Physiker in vielen Labors auf der Ganzen Welt routinemäßig verschränkte Zustände in verschiedenen Arten von Quantensystemen. Diese dienen den Forschern als Ausgangspunkt und Werkzeug für unterschiedliche quantenphysikalische Experimente.

Vor allem aber gelten verschränkte Zustände als der Schlüssel für die Entwicklung eines künftigen Quanteninternets, wie MPQ-Wissenschaftler Rempe betont. Dazu gehören laut dem Physiker zum Beispiel Atomuhren und andere Messinstrumente mit einer weitaus größeren Präzision als bislang möglich. Auch Navigationssystemen wie dem GPS könnte ein weltweites Quantennetzwerk zu einer heute noch unvorstellbaren Genauigkeit bei der Lokalisierung verhelfen. Mit sogenannten Quantensimulationen auf vernetzten Quantenrechnern ließen sich zum Beispiel sehr komplexe Biomoleküle, neue Formen der Materie oder bislang kaum verstandene physikalische Phänomene wie die Hochtemperatursupraleitung untersuchen – an virtuellen Modellsystemen und ohne die Stoffe unter großem Aufwand im Labor herstellen und handhaben zu müssen. Und als vielleicht wichtigste potenzielle Anwendung steht – wie schon erwähnt – der abhörsichere Informationsaustausch im Quanteninternet.

Die Entwicklung eines globalen Quantennetzwerks hat für Gerhard Rempe noch eine weitere, überaus spannende Facette: „Neben dem technischen Aspekt bietet sie die Chance, grundlegende physikalische Zusammenhänge sowie die praktischen Konsequenzen der Quantenmechanik unter einem neuen Blickwinkel zu ergründen“, sagt der Garchinger Wissenschaftler. Das schließt auch die Möglichkeit von überraschenden neuen Erkenntnissen und der Entdeckung bislang unbekannter Effekte mit ein. „Immerhin haben wir es dabei – anders als etwa bei einem Quantencomputer – mit einem offenen Quantensystem zu tun, das nicht hermetisch abgeschlossen und dadurch gegen störende äußere Einflüsse geschützt ist“, betont Rempe. Das macht den Entwurf eines Quanteninternets besonders anspruchsvoll und zu einer großen Herausforderung sowohl für die Technik als auch für das Verständnis der physikalischen Vorgänge.

Das technologische Konzept

Eine Idee, wie das Quanteninternet einmal aufgebaut sein soll, haben die Forscher längst. „Er könnte ganz ähnlich aussehen wie der Aufbau des klassischen Internets“, sagt Max-Planck-Physiker Rempe. Vielversprechend erscheint ihm ein Netz aus Quantenspeichern – den sogenannten Quantennetzwerkknoten –, zwischen denen sich Quanteninformationen mittels einzelner Photonen über weite Strecken austauschen lassen. Die Quantenspeicher können zum Beispiel einzelne, per Laserlicht im Vakuum gefangene oder im Kristallgitter eines Festkörpers sitzende Atome sein, atomare Wölkchen oder sogenannte Quantenpunkte – eine Art Anhäufung aus einigen Hundert oder Tausend Atomen, die von einem anderen Material umschlossen sind. Bestünden die Knoten aus kompletten Quantenrechnern, würden sie den Zugriff auf eine datensichere neue Form von Cloud-Computing ermöglichen: eine Quanten-Cloud, in der die Rechenkraft der vernetzten Quantencomputer gebündelt und vielleicht für jedermann zugänglich wäre.

Allerdings: Der Austausch von Signalen erfolgt in einem Quanteninternet nicht wie in heutigen Netzwerken durch Elektronen oder Lichtteilchen, die Daten in Gestalt einzelner Bits mit sich tragen – den grundlegenden Einheiten der klassischen Informationstechnik mit dem Wert „1“ oder „0“. Stattdessen arbeiten Computer und Netzwerke auf Quantenbasis mit sogenannten Quantenbits oder kurz Qubits. Auch sie können eine Information speichern, doch eine strenge Unterscheidung zwischen den Werten „1“ und „0“ ist bei einem Qubit nicht möglich. Zwar besitzen die Daten auch in der Quantenwelt mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit einen dieser beiden Zustände, aber zugleich auch einen festgelegten anderen Wert, der sich aus deren Überlagerung ergibt. Erst, wenn ein Quantenbit ausgelesen wird, nimmt es einen der beiden klassischen Werte an. Um diese Art Quanteninformation übertragen zu können, bedarf es der Verschränkung.

Viele der für das Quanteninternet notwendigen Bausteine existieren in den Labors bereits – zum Beispiel die isolierten Rubidium-Atome, mit denen die Forscher am MPQ arbeiten: Jedes dieser Atome stellt einen Quantenspeicher und damit einen potenziellen Knoten des Netzwerks dar, der sich mit anderen Netzwerkknoten verbinden lässt. Dazu wird entweder die im Atom gespeicherte Information auf ein Lichtteilchen übertragen, das diese Information zu einem anderen Knoten transportiert. Oder besser: Das Atom wird mit einem Lichtteilchen verschränkt, das diese Verschränkung zum Zweck eines späteren Informationsaustauschs im Netzwerk verteilt.

Verschränkung zwischen Spiegeln

Der optische Resonator, in dem das Atom festgehalten wird, dient dazu, die Übertragung von Quanteninformation beziehungsweise die Verschränkung zwischen Atom und Photon besonders effizient zu machen. Die Vorrichtung verstärkt die Wechselwirkung zwischen Materie- und Lichtpartikel. Dazu enthält der Resonator zwei parallel gegenübergestellte Spiegel, an denen das Photon immer wieder reflektiert wird. Als Folge läuft es viele Tausend Mal zwischen den Spiegeln hin und her. Bei jedem Umlauf im Resonator trifft es auf das dort gefangene Atom. Auf diese Weise werden Atom und Photon kräftig miteinander gekoppelt, was die Wechselwirkungsstärke zwischen dem einzelnen Atom und dem einzelnen Lichtteilchen erhöht. Dabei wird die Quanteninformation in der Polarisationsrichtung des Photons kodiert – der Orientierung des mit dem Lichtteilchen verbundenen elektromagnetischen Felds.

Dieser Prozess ist umkehrbar: So kann das Photon seine Polarisation – und damit gegebenenfalls die Verschränkung – in derselben, aber umgekehrten Weise auf ein anderes Atom übertragen. Als Resultat werden so beide Atome an den Enden der Verbindung miteinander verschränkt. „Um Photonen von einem Quantenspeicher zum anderen zu bringen, lässt sich eine Glasfaser verwenden, wie sie auch heute in der optischen Telekommunikation zum Einsatz kommt“, sagt Gerhard Rempe. Die Anordnung der Spiegel in dem Resonator legt dabei die Richtung fest, in der das Photon weggeschickt und in die Faser gespeist wird.

Simpel gestrickte Anfänge

Ein noch recht einfaches Quantennetzwerk, das allerdings noch nicht aus zwei verschränkten Atom-Speichern besteht, haben unter anderem Wissenschaftler um den österreichischen Physiknobelpreisträger Anton Zeilinger am Institut für Quantenoptik und Quantenkommunikation (IQOQI) der Universitäten Innsbruck und Wien aufgebaut und erfolgreich getestet. An der Universität Innsbruck konnte zudem ein Forscherteam kürzlich nachweisen, dass sich auch Ionen – also elektrisch geladene Atome, die sich etwa in einem Kristall befinden – mit Photonen verschränken lassen. Den Wissenschaftlern um Tracy Northup und Ben Lanyon gelang es erstmals, zwei Ionen über eine Distanz von 230 Metern miteinander zu verschränken. Die beiden Quantensysteme waren dazu in zwei verschiedenen Laboren des Universität untergebracht. Verbunden waren sie durch einen 500 Metern langen Lichtleiter, durch den sich die mit den beiden Ionen verschränkten Photonen bewegten. „Unsere Ergebnisse zeigen, dass gefangene Ionen eine vielversprechende Plattform für die Realisierung künftiger großflächiger Netzwerke von Quantencomputern, Quantensensoren und Atomuhren sind“, sagt Tracy Northup.

In Garching gingen die Forscher noch einen Schritt weiter: Vor Kurzem berichteten sie über ein Experiment, bei dem sie durch die Verschränkung mit einem Atom in einem optischen Resonator nicht nur einen Quantenzustand, sondern viele verschiedene atomare Zustände auf ein Photon übertragen konnten. Künftig wollen sie diese Technologie weiterentwickeln und die Verschränkung auf mehrere in dem Resonator eingeschlossene Atome ausdehnen. Ein anderes Team am MPQ hat eine Art Quanten-Modem entwickelt, um verschränkte Photonen samt der Information in ihrem Gepäck möglichst präzise und effizient in ein Glasfasernetz einzubringen.

Und im Sommer 2021 berichtete ein Forschungsteam um Emanuele Distante von einem Versuch, bei dem die in einem Atom gespeicherte Information durch ein einziges Lichtteilchen über eine Entfernung von rund 60 Metern transportiert und auf ein anderes Atom übertragen wurde – per optischem Kabel von einem Forschungslabor ins andere.

Die großen Herausforderungen

Doch solche Experimente sind immer noch nur ein Anfang auf dem Weg hin zu einem künftigen Quanteninternet. Denn um die Möglichkeiten eines umfassenden Quantennetzwerks vollständig nutzen zu können, müssen die ersten Prototypen deutlich vergrößert werden – hin zu mehr Netzwerkknoten und zu einer Verschränkung über weitere Entfernungen. An den Voraussetzungen, um sie zu meistern, arbeiten Wissenschaftler und Ingenieure weltweit – zum Beispiel am QuTech, einer gemeinsamen Forschungseinrichtung der Technischen Universität Delft und der Organisation für Angewandte Naturwissenschaftliche Forschung TNO in den Niederlanden. Die Wissenschaftler dort beteiligen sich auch an der Entwicklung eines europäischen Netzwerks im Rahmen der sogenannten Quanteninternet Alliance (QIA). Der internationale Forschungsverbund, für den im Oktober 2022 der Startschuss fiel, hat sich zum Ziel gesetzt, in den nächsten sieben Jahren einen Prototyp eines solchen Netzwerks aufzubauen. Die EU unterstützt das allein in den ersten dreieinhalb Jahren mit 24 Millionen Euro. Neben den niederländischen Forschern wirken an der Quanteninternet Alliance unter anderem zwei Teams um Tracy Northup und Benjamin Lanyon am Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck sowie die Garchinger Gruppe von Gerhard Rempe mit.

Die QuTech-Forscherin und Direktorin der Quanteninternet-Alliance Stephanie Wehner sieht die europäischen Forscher damit auf einer „Mondmission zum Aufbau eines Prototyps eines Quantennetzwerks, das das Potenzial hat, das erste seiner Art zu werden“. Das Netz soll zunächst in der Lage sein, Nutzer in zwei europäischen Großstädten über mehrere Hundert Kilometer hinweg zu verbinden.

Beim Errichten eines anwendungstauglichen Quanteninternets haben die Forscher noch eine wichige Aufgabe zu meistern: In einem größeren Quantennetzwerk oder gar einem weltumspannenden Quanteninternet müssen mehr als nur zwei Nutzer miteinander kommunizieren können. Britische Forscher der University of Bristol haben dafür eine Technologie entwickelt, mit der sich in einem Quantennetzwerk Informationen in Form verschränkter Photonen austauschen lassen – allerdings ohne die Möglichkeit zur Verschränkung von Netzwerkknoten.

Die Signalstärke erhalten

Doch die vielleicht größte Herausforderung ist die Zerbrechlichkeit verschränkter Quantensysteme. Bereits eine kleine Störung reicht aus, um eine Verschränkung zunichtezumachen. Die Empfindlichkeit von Quantensystemen begrenzt auch die Reichweite bei der Übertragung von Signalen durch Photonen, etwa in einer Glasfaser. Denn durch Absorption, Reflexion und Streuung an den atomaren Materialbausteinen des Glases gehen auf dem Weg durch die Faser ständig Lichtteilchen verloren. Die Folge: Das Signal wird immer schwächer, bis es schließlich unbrauchbar ist. Daher schaffen es die informationsbeladenen Teilchen in einem Glasfasernetz nicht weiter als typischerweise einige zehn und maximal 100 bis 200 Kilometer. Soll die Information über eine größere Distanz transportiert werden, muss man das schwächer werdende Signal unterwegs verstärken.

Das stellte sich jedoch bis vor Kurzem als unüberwindliche technische Hürde dar. Verschränkte Signale zu verarbeiten, ohne dabei die Verschränkung zu zerstören, war nicht möglich. Die Entwicklung erster Quanten-Repeater zur Signalverstärkung dauerte Jahre.

„Auch ein Quanten-Repeater basiert prinzipiell auf der Verschränkung von Quantensystemen“, erläutert Gerhard Rempe. Das kann etwa so aussehen: Ein Photon flitzt mit Lichtgeschwindigkeit durch eine Glasfaser und gelangt an einen Repeater. Darin enthalten ist ein Quantenspeicher – beispielsweise ein in einem Resonator eingesperrtes Atom. Auf dieses Atom kann das Photon seine Verschränkung übertragen. Gleichzeitig lässt sich von der anderen Seite her ein weiteres Photon auf ein zweites Atom treffen, das dadurch ebenfalls zum Quantenspeicher wird.

Etappenweise verschränkt

„Werden die beiden Atome gemeinsam beobachtet, gelangt man schließlich zu einer Verschränkung der beiden Teile des Quantennetzwerks, links und rechts des Quanten-Repeaters“, erläutert Gerhard Rempe. Und dieses Prinzip lässt sich ausweiten auf andere Repeater im Netz, bis letztlich alle miteinander verschränkt sind. Das Resultat: Über die Glasfaser lässt sich eine Quanteninformation abhörsicher über Tausende Kilometer befördern – ohne wesentliche Verluste.

Frühe Konzepte für den Bau eines solchen Systems gab es bereits vor mehr als zwei Jahrzehnten. Doch der erste elementare Quanten-Repeater existiert erst seit 2021 am MPQ in Garching. „Unsere Forscher haben als bislang einziges Labor weltweit gezeigt, dass die abhörsichere Erzeugung eines kryptografischen Schlüssels über einen Quanten-Repeater-Knoten besser skaliert als bei direkter Übertragung ohne Repeater“, berichtet Gerhard Rempe.

Leuchtende Erbium-Atome

Die Forscher am Max-Planck-Institut für Quantenoptik verfolgen außerdem einen anderen Ansatz für die Realisierung eines Quanten-Repeaters. Dessen Herzstück besteht aus Erbium-Atomen mit besonderen optischen Eigenschaften. Den Wissenschaftlern um Andreas Reiserer gelang es vor Kurzem erstmals, einen Silizium-Kristall mit solchen Atomen zu spicken, im Fachjargon: ihn zu dotieren. „Das von Erbium emittierte Licht bietet ideale Voraussetzungen, um Quanteninformationen zu speichern und zu übertragen“, freut sich der Physiker, der in Garching die Otto-Hahn-Forschungsgruppe Quantennetzwerke leitet und außerdem eine Professur für Quantennetzwerke an der Technischen Universität München innehat.

Zudem zeichnet sich die Technologie durch einen weiteren Vorteil aus: Das Licht, das angeregte Erbium-Atome abgeben, hat etwa dieselbe Wellenlänge, wie sie auch in konventionellen Glasfasernetzen zur optischen Datenübertragung genutzt wird, und eignet sich damit gut für den Datentransport in Glasfasern. Denn die weisen bei einer Wellenlänge im infraroten Bereich bei Wellenlängen etwa zwischen 1500 und 1600 besonders geringe Verluste an Photonen auf. „Diese Merkmale machen Erbium zu einem erstklassigen Kandidaten für die Verwendung als Informationsträger in einem Quantennetzwerk – auch als Bestandteil von Quanten-Repeatern“, sagt Reiserer.

Der Schritt ins All

Eine Möglichkeit, Quanten-Repeater und Glasfasern zu umgehen, ist der Weg ins All. So setzt China seit einigen Jahren darauf, Quantensignale per Satellit zu übertragen. Im August 2016 brachte die chinesische Akademie der Wissenschaften dazu den Satelliten Micius in den Orbit. Der künstliche Erdtrabant hat unter anderem eine Photonenquelle an Bord und ist mit einem Sender und einem Empfänger für verschränkte Photonen ausgerüstet, mit denen sich über Spiegelsysteme zwei Bodenstationen mit verschränkten Lichtteilchen erreichen lassen.

Die Technik wurde unter der Regie des Physikers Jian-Wei Pan entwickelt, der an der Universität für Wissenschaft und Technik im chinesischen Hefei wie auch an der Universität Heidelberg tätig ist. Kurze Zeit nach dem Start von Micius gelang die weltweit erste Übertragung von Qubits auf dem Weg über das All: Der in etwa 500 Kilometer über der Erde kreisende Satellit übertrug ein Quantensignal aus dem nordchinesischen Lijang zu einem Empfänger in der Stadt Delhi im Westen des Landes. Tests bestätigten, dass die Verschränkung der übertragenen Photonen auf dem insgesamt rund 2000 Kilometer langen Transportweg erhalten geblieben ist. Auf der Erde wurde damit eine Distanz von mehr als 1200 Kilometern überbrückt. 2017 überbot das Team um Pan diesen selbst aufgestellten Rekord nochmals, indem es per Satellit sogar eine Entfernung von mehr als 7500 Kilometern überbrückte: von Peking bis ans IQOQI in Wien, allerdings ohne Verschränkung.

Störeffekte werden ausgeschlossen

Der Vorteil eines Quanteninternets auf der Grundlage von Satelliten liegt für den chinesischen Wissenschaftler auf der Hand: Den größten Teil der Strecke legt das Signal in der dünnen Erdatmosphäre zurück, wo es fast keine Störungen gibt – auch nicht durch den Einfluss der Luftmoleküle. Lediglich in der Nähe der Erdoberfläche geht ein Teil der Photonen durch Streuung oder Absorption in der Luft verloren. Technisch komplizierte Quanten-Repeater zur Verstärkung des übertragenen Signals sind dafür jedoch nicht erforderlich.

Doch es gibt auch Schwachpunkte: So begrenzen die Beugungsverluste zwischen der Basisstation und dem Satelliten die Datenraten bei der Übertragung drastisch. Zudem funktioniert die Satellitenkommunikation im Quantennetz bisher nur nachts, weil das Tageslicht sie beeinträchtigt. Und der schnell umlaufende Satellit ist nur zweimal täglich für kurze Zeit mit den Sendestationen in Kontakt, und die übertragene Datenrate ist noch gering. Doch die Forscher im Team um Jian-Wei Pan arbeiten an der Lösung dieser Probleme – und wollen unter anderem durch die Positionierung weiterer Quantensatelliten künftig eine großflächige Signalabdeckung am Erdboden erreichen.

Das Potenzial dieser Technologie sieht man offenbar nicht nur in Fernost, sondern auch im Westen. So startete Ende 2022 ein gemeinsames Forschungsprojekt der Europäischen Union und Kanadas, an dem Wissenschaftler aus acht Universitäten und Instituten beteiligt sind. Ziel des Projekts „Hyperspace“ ist es, die technischen Grundlagen für den Aufbau eines gemeinsamen, auf Satelliten beruhenden Quantennetzwerks zu entwickeln. Es soll künftig Europa und Nordamerika verbinden und eine sichere Kommunikation zwischen den beiden Kontinenten ermöglichen.

Noch ein langer Weg

Klar scheint: Trotz aller Anstrengungen der Forscher rund um den Globus ist der Weg hin zu einem Quanteninternet noch lang und beschwerlich. „Noch ist nicht einmal klar, welche Hardware sich am besten eignet“, stellt Andreas Reiserer fest. Zwar werde es bereits in wenigen Jahren möglich sein, Verschränkung rund 100 Kilometer weit mit einer akzeptablen Datenrate zu übertragen, meint der Garchinger Physiker. Doch um globale Distanzen zu überbrücken und viele Knoten miteinander zu verschränken, sei es auch nötig, dass dabei möglichst keine Fehler auftreten. „In allen bisherigen Experimenten, in denen Qubits über große Entfernungen verschränkt wurden, war das noch nicht der Fall.“

Ob es jemals gelingen wird, ein praktikables Quanteninternet zu realisieren, ist offen. Und, wenn ja, dann wird es das klassische Internet wohl nicht ablösen, sondern es in bestimmten Bereichen ergänzen – etwa bei Behörden, Banken und medizinische Einrichtungen, die mit sensiblen Gesundheitsdaten arbeiten.

Doch unabhängig davon, wie die technologische Entwicklung weiter verlaufen wird: Für die Physiker ist die Forschung auf diesem Gebiet allemal ein fesselndes Abenteuer. Denn sie begeben sich mit ihren Experimenten auf teils noch unbekanntes wissenschaftliches Terrain – wie auf eine Expedition in den Dschungel der Quantenwelt.

Menschen orientieren sich bei Entscheidungen an den Erfahrungen anderer. Dieses als „Social Proof“ bekannte psychologische Phänomen…