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Quantenteleportation erreicht das reale Internet
In einem entscheidenden Fortschritt für die Quantenkommunikation ist es US-amerikanischen Wissenschaftlern erstmals gelungen, einen Quantenzustand von Licht über mehr als 30 Kilometer herkömmliches Glasfaserkabel – und das während aktiver Internetdatenübertragung – zu übertragen. Dieses bisher nie dagewesene Experiment, das 2024 realisiert wurde, stellt einen wichtigen Schritt in Richtung eines zukünftigen Quanteninternets und sicherer Kommunikation dar.
Obwohl Quantenteleportation häufig mit Science-Fiction und der Teleportation aus Star Trek assoziiert wird, ist die Wirklichkeit differenzierter: Übertragen werden Quantenzustände, keine Materie. In diesem Experiment gelang es Forschern, einen äußerst empfindlichen Quantenzustand zu übermitteln und dabei technische Hürden zu überwinden, die dieses Ziel bisher unerreichbar erscheinen ließen.
Physikalische Grundlagen der Quantenteleportation
Quantenteleportation basiert auf dem Prinzip der Quantenverschränkung: Zwei Quantenteilchen werden so miteinander verbunden, dass der Zustand des einen sofort den Zustand des anderen bestimmt – unabhängig von der Entfernung. Beim Teleportieren eines Quantenzustands wird die Information am Ursprungsort gelöscht und am Zielort wiederhergestellt, sodass die Quantendaten ohne physische Übertragung durch den Raum übertragen werden.
Quantenzustände sind jedoch äußerst empfindlich. Schon elektromagnetische Störungen, Temperaturschwankungen und sogar der gewöhnliche Datenverkehr können zu Dekohärenz führen und die Zustände zerstören. Während der Schutz von Quanteninformationen im Labor bereits anspruchsvoll ist, steigert der Transport über kommerzielle Glasfaserkabel mit Terabytes an täglichem Datenverkehr die Herausforderung enorm.
Technische Innovationen: Quantenzustände im Internet schützen
Um das einzelne Photon mit Quantendaten über eine aktiv genutzte Glasfaserleitung – mit Übertragungsraten von bis zu 400 Gigabit pro Sekunde – zu schützen, entwickelte das Forschungsteam unter Leitung der Northwestern University innovative Methoden. Hierzu zählten die Wahl optimaler Wellenlängen für das Photon sowie die präzise Gestaltung des Übertragungskanals, wodurch Störungen und Überlagerungen mit klassischen Datensignalen drastisch reduziert wurden.
"Wir haben sorgfältig untersucht, wie Licht gestreut wird, und unsere Photonen gezielt an Stellen platziert, an denen solche Streumechanismen minimiert werden", erklärt Prem Kumar, leitender Wissenschaftler der Studie. „Wir konnten so Quantenkommunikation durchführen, ohne von zeitgleich übertragenen klassischen Kanälen gestört zu werden.“
Bisherige Experimente wurden meist in simulierten Internetumgebungen durchgeführt. Hier gelang erstmals die Teleportation eines Quantenzustands parallel zu realem, aktivem Internetdatenverkehr.
Bedeutung: Auf dem Weg zum Quanteninternet
Dieser technologische Durchbruch eröffnet neue Perspektiven für die Entwicklung eines Quanteninternets. Der Nachweis, dass bestehende Glasfaserinfrastrukturen sowohl für Quanten- als auch für klassische Daten genutzt werden können, macht den Aufbau eines globalen Quanteninternets realistischer und wirtschaftlicher als bislang angenommen. Laut Kumar „zeigt unsere Arbeit einen Weg zu einer neuen Generation kombinierter Quanten- und Klassiknetzwerke auf gemeinsamer Glasfaserbasis. Wir schlagen damit ein neues Kapitel für die Quantenkommunikation auf.“
Ein Quanteninternet ermöglicht extrem sichere Kommunikation – Verschlüsselung, geschützt durch die Naturgesetze der Quantenphysik. Außerdem dürfte es fortschrittliche Quantencomputer und hochpräzise Messungen unterstützen, was wiederum zu bahnbrechenden Entwicklungen in Cybersicherheit, verteiltem Quantencomputing und Sensortechnologien führen wird.
„Quantenteleportation kann eine sichere Quantenverbindung zwischen geographisch weit entfernten Knoten schaffen“, betont Kumar. „Mit der richtigen Wellenlänge ist keine neue Infrastruktur nötig – klassische und Quantenkommunikation können koexistieren.“
Blick nach vorn: Die nächste Ära der Quanten-Vernetzung
Jeder erfolgreiche Test bringt das praktische Quanteninternet näher. Wissenschaftler und Ingenieure erhalten damit neue Möglichkeiten, Daten zu überwachen, zu verschlüsseln und zu verarbeiten – in bislang unerreichtem Ausmaß. Die parallele Übertragung von Quanten- und klassischen Daten auf bestehender Netzwerktechnik verringert Kosten und Komplexität beim Wechsel zu dieser neuen Internettechnologie und macht Quantenvernetzung für unsere vernetzte, sicherheitsorientierte Gesellschaft zugänglicher denn je.
Fazit
Die erfolgreiche Demonstration von Quantenteleportation über aktive Internet-Glasfasernetze ist ein Meilenstein für die Quanteninformationswissenschaft. Sie widerlegt frühere Annahmen über die Unvereinbarkeit von Quantenkommunikation mit etablierten Strukturen und beschleunigt den Weg zu global vernetzten, quantensicheren digitalen Systemen. Mit weiteren Fortschritten werden die Grenzen zwischen klassischen und Quanten-Netzen zunehmend verschwimmen und eine Zukunft einläuten, in der Quantentechnologien Kommunikation, Computertechnik und Cybersecurity grundlegend verändern.
Quelle: opg.optica
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