Forscher entwickeln “nicht hackbares” Quantum-Netzwerk

Forscher von Toshiba haben erfolgreich Quantum-Daten über ein 600 Kilometer langes Glasfaser-Netzwerk verschickt und einen neuen Entfernungsrekord aufgestellt. Sie ebnen damit den Weg für Quantum-Netzwerke, die dem sicheren Datenaustausch zwischen Städten und sogar Ländern dienen könnten.

Bei ihrem Versuch übertrugen die Forscher von ihrem Labor im britischen Cambridge aus Quantum Bits (Qubits), ohne die empfindlichen Quantendaten, die in Teilchen verschlüsselt sind, zu verfälschen. Dabei half ihnen eine neue Technologie, die die in den optischen Fasern auftreten Umweltschwankungen stabilisieren.

Ein Quantum-Netzwerk – und schließlich ein Quantum-Internet – soll Quantum-Geräte über große Entfernungen miteinander verbinden. Die Technik soll Anwendungen ermöglichen, die mit den heute verfügbaren Web-Applikationen undenkbar sind. Dazu gehört eine praktisch nicht zu knackende Kommunikation oder auch die Erstellung von Clustern von untereinander verbundenen Quantum-Geräten, die die Rechenleistung klassischer Geräte übertreffen.

Eine Hürde stellten bisher die zu übertragenden Qubits dar. Diese Partikel liegen in einem speziellen und sehr empfindlichen Quantum-Zustand vor, den sie während der Übertragung nicht verlieren dürfen. Eine mögliche Lösung war die Übertragung per optischer Faser. In der Praxis waren bisher aber nur kurze Entfernungen möglich, da veränderte Umweltbedingungen wie Temperaturschwankungen dazu führen, dass sich die Fasern ausdehnen oder zusammenziehen, was den Qubits schadet.

Um diese Schwankungen auszugleichen, entwickelten die Forscher von Toshiba eine Dual Band Stabilization genannte Technik. Sie sendet zwei Signale mit unterschiedlichen Wellenlängen über die Glasfasern. Die erste Wellenlänge wird verwendet, um schnell variierende Fluktuationen auszugleichen, während die zweite Wellenlänge, die auf der gleichen Wellenlänge wie die Qubits liegt, für feinere Anpassungen der Phase verwendet wird. Beide Wällenlängen sollen schließlich die Schwankungen der Umweltbedingungen innerhalb der Glasfaser in Echtzeit kompensieren.

Getestet wurde die Technik außerdem bereits in der Praxis für eine Quantum-basierte Verschlüsselung. Das als Quantum Key Distribution (QDK) bezeichnete Protokoll nutzt ein Quantum-Netzwerk, um Sicherheitsschlüssel zu generieren, die nicht geknackt werden können. Das würde künftig eine sichere Übertragung jeglicher vertraulicher Daten ermöglichen.

QDK verschickt den für die Verschlüsselung von Daten benutzten Schlüssel als Qubit über ein Quantum-Netzwerk an den Empfänger der Daten. Die Gesetze der Quantenmechanik sollen garantieren, dass der Schlüssel nicht abgehört werden kann, ohne Spuren zu hinterlassen, die Absender und Empfänger sehen können. QDK nutzt also keine komplexen Rechenmodelle, sondern die Gesetze der Physik – die Leistungsfähigkeit eines Computer bietet also keinen Vorteil bei einem Versuch, einen solchen Schlüssel zu hacken.

Chinesischen Forschern ist es sogar schon gelungen, Qubits über eine Entfernung von 4600 Kilometern zu übertragen. Sie setzten dabei allerdings nicht ausschließlich auf Glasfaser. Stattdessen kombinierten sie Satelliten mit Glasfaser-Netzen am Boden. Diese Technik ist jedoch teurer und weniger gut für den Aufbau eines großes Netzwerks geeignet.