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Erstes adaptives Quanten-LAN

Neuartige Weiche ermöglicht flexible Zuteilung von Quantenressourcen im Netz

Quantenlabor
Dieses Labor ist über Quanten-LAN mit Nutzern in zwei anderen Gebäuden verbunden. © Carlos Jones, ORNL/DOE

Flexibles Quanten-Netzwerk: US-Forscher haben erstmals ein adaptives Lokales Netzwerk auf Quantenbasis realisiert. Das auf verschränkten Photonen basierende QLAN verbindet nicht nur drei Gebäude und ermöglicht bis zu 200 Nutzern den abhörsicheren Informationsaustauch. Eine Wellenlängen-selektive Weiche (Switch) erlaubt auch eine flexible Zuteilung von Bandbreiten und Wellenlängen, ohne die Quantenverbindung zu zerstören.

Die Quantenkommunikation gilt als vielversprechende, weil abhörsichere Form des Datenaustauschs – hat in der Praxis jedoch Tücken. Weil verschränkte Photonenpaare die Basis dieser Technik bilden, muss man tricksen, um die Quantenschlüssel zwischen mehr als zwei Nutzern zu teilen. Erforscht werden dafür unter anderem spezielle Hardwareknoten, aber auch eine Multiplextechnik, bei der Strahlen verschränkter Photonen in verschiedenen Wellenlängen eingesetzt werden.

QLAN
Funktionale Ebenen des QLAN (links), Prinzip der Wellenlängenweiche (WSS) und logisches Netzwerk (c), sowie Verknüpfung mehrerer Netzwerke über gestaffelte WSS. © Alshowkan et al./ PRX Quantum, CC-by-sa 4.0

QLAN mit flexibler Zuteilung

Jetzt haben US-Physiker diese Möglichkeiten noch erweitert: Muneer Alshowkan und seine Kollegen vom Oak Ridge National Laboratory (ORNL) haben erstmals ein Quanten-LAN entwickelt, das theoretisch bis zu 200 Nutzer mit flexibler Bandbreite miteinander verbindet. Verschränkte Photonen werden in diesem Local Area Network über Glasfaserkabel zwischen drei Gebäuden ausgetauscht. Jeder Nutzer in diesem Netzwerk kann dabei mit jedem anderen Quanteninformationen austauschen.

Anders als frühere Ansätze sind die Bandbreiten und Wellenlängen-Kanäle in diesem QLAN nicht dauerhaft festgelegt. „Weil sich die Nachfrage in einem Netzwerk mit der Zeit oder den Konfigurationen ändern kann, ist es unpraktisch, allen Nutzern von vornherein feste Bandbreiten zuzuteilen“, erklärt Alshowkans Kollege Joseph Lukens. Stattdessen steuert eine spezielle Weiche, der sogenannte Wavelength-Selective Switch (WSS), die Verteilung der Wellenlängen und Bandbreiten.

Der Vorteil daran: Bricht eine Glasfaserleitung oder muss die Übertragung wegen anderer unvorhergesehener Ereignisse umverteilt werden, ist dies mit dieser Netzwerk-Technik möglich, ohne dass das Quanten-Netzwerk zerstört oder Sicherheitsprotokolle außer Kraft gesetzt werden.

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Jeder mit jedem

In der Praxis werden für das Quanten-LAN zunächst verschränkte Photonen verschiedener Wellenlänge erzeugt, die über ihre Polarisation paarweise miteinander verkoppelt sind. Diese Photonen werden gebündelt an die WSS-Weiche geschickt, die mit jedem der Nutzer über Glasfaserleitungen verbunden ist. Die Weiche spaltet die Photonen und damit die Quanteninformation nach Wellenlängenbereichen auf und ermöglicht so eine flexible Zuteilung und Kommunikation.

„Betrachtet man das Ganze in Bezug auf die Verteilung der Verschränkungen, dann ähnelt die Transportebene dieses Netzwerks einem eng vermaschten Netz: Wegen der nichtlokalen Natur der Quantenverschränkung sind private logische Verbindungen selbst zwischen Nutzern möglich, die untereinander nicht mit einer direkten physischen Leitung verknüpft sind“, erklärt das Team. In ersten Tests konnten Nutzer in allen drei Gebäuden über diese QLAN mit einem beliebigen anderen Nutzer Quanteninformationen teilen.

Das Timing ist entscheidend

Voraussetzung für das Funktionieren dieser Technologie ist allerdings eine nahezu perfekte zeitliche Synchronisation der einzelnen Netzwerkknoten. Während das Protokoll für klassische LANs noch Abweichungen knapp unter dem Mikrosekundenbereich toleriert, müssen die Elemente eines Quanten-Netzwerk bis auf die Nanosekunde gleichgeschaltet sein. „Das war eine echte Herausforderung, denn in einem klassischen Netzwerk ist diese Präzision in Coding und Timing selten nötig“, sagt Lukens.

Gelöst haben die Forscher dieses Problem mithilfe von GPS: Das zeitliche eng getaktete Signal der GPS-Satelliten half ihnen, ihre Netzwerk-Komponenten zeitlich bis auf wenige Nanosekunden genau zu synchronisieren. Das Team hofft aber, in Zukunft eine noch präzisere Taktung zu erreichen, um die Signalqualität weiter zu verbessern.

Vom LAN zum Quanten-Internet

Fernziel der Wissenschaftler ist es, mehrere solcher QLANS zu einem immer größer werdenden Netzwerk zu verbinden. „Wir versuchen ein Fundament zu legen, auf dem wir ein Quanten-Internet aufbauen können“, erklärt Nicholas Peters. In seiner jetzigen Konfiguration kann ihre WSS-Weiche theoretisch ein QLAN mit bis zu 200 Knoten unterstützen. Würde man mehrere solcher Weichen hintereinander schaltet, könnten mehrere solcher QLANs miteinander verbunden werden.

„Das Internet ist auch aus kleineren Netzwerken aufgebaut, Der nächste große Schritt hin zu einem Quanten-Internet ist es daher, unser QLAN mit weiteren Quanten-Netzwerken zu verbinden“, sagt Alshowkan. (PRX Quantum, 2021; doi: 10.1103/PRXQuantum.2.040304)

Quelle: DOE / Oak Ridge National Laboratory

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