Forscher entwickeln erstes Quantennetz mit vier Teilnehmern Wichtiger Schritt zum Quanteninternet - scinexx | Das Wissensmagazin
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Forscher entwickeln erstes Quantennetz mit vier Teilnehmern

Wichtiger Schritt zum Quanteninternet

Quantenkryptografie
Bisher konnten meist nur zwei Teilnehmer mittels Quantenkryptografie sicher kommunizieren. Diese Beschränkung haben Forscher nun aufgehoben. © ÖAW/IQOQI

Entscheidender Durchbruch: Forscher haben ein Quanten-Netzwerk mit vier aktiven Teilnehmern realisiert. Erstmals können darin mehr als nur zwei Teilnehmer mit jedem anderen verschlüsselte Informationen austauschen. Möglich wird dies dank einer neuentwickelten Netzwerkarchitektur, wie die Wissenschaftler im Fachmagazin „Nature berichten. Damit könnte ein Meilenstein auf dem Weg zum quantenkryptographischem Internet erreicht sein.

Die Quantenkryptografie soll in Zukunft eine abhörsichere Kommunikation ermöglichen. Denn dank des quantenphysikalischen Phänomens der Verschränkung führt jede Manipulation oder Kopie der Information dazu, dass sich beim rechtmäßigen Empfänger der Zustand der Photonen verändert – und das verrät die Manipulation. Schon jetzt wurden solche quantenkryptografischen Schlüssel bereits über ganze Städte, Kontinente und sogar aus dem Orbit übertragen.

Bisher war bei zwei Teilnehmern Schluss

Das Problem jedoch: Bisherige Quantennetzwerke können in den meisten Fällen nur zwei aktive Teilnehmer unter Garantie der Sicherheit miteinander verbinden. Für den Zusammenschluss mehrerer Teilnehmer sind hingegen hochkomplexe und fehleranfällige Hardware-Setups erforderlich, die letztlich ebenfalls nur limitierte Kommunikationsverbindungen zulassen. Soll aber in Zukunft ein echtes Quanteninternet möglich werden, müssen viele Teilnehmer gleichzeitig aktiv miteinander kommunizieren können.

Diese Hürde haben nun Sören Wengerowsky von der Universität Wien und sein Team genommen. Sie haben eine neue Netzwerkarchitektur entwickelt, die eine echte Quantenkommunikation mehrerer Teilnehmer zugleich ermöglicht. „Unser Netz erlaubt dies ohne Abstriche bei der Sicherheit oder Funktionalität gegenüber den klassischen Zwei-Personen-Schemata“, betonen die Forscher.

Verschränkte Photonenpaare für alle

Kernstück des neuen Quantennetzwerks ist eine Photonenquelle, die jeweils Paare verschränkter Photonen mit einer unbekannten, aber identischen Polarisation erzeugt. Insgesamt werden sechs Photonenpaare erzeugt. Jeder der vier Nutzer – Alice, Bob, Chloe und Dave – bekommt über Glasfaserkabel drei dieser Lichtteilchen. „Jeder Teilnehmer nimmt dann eine Messung der Polarisation an seinem Photon vor“, erklärt Wengerowsky.

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Das Ergebnis dieser Messung ist zwar bei jedem Teilnehmer zufällig, jedoch wegen der Verschränkung bei beiden Teilen eines Photonenpaares immer identisch. Dank dieser Verschränkung können alle Nutzer des Netzwerks miteinander kryptographische Schlüssel erzeugen und für eine abhörsichere Kommunikation verwenden, wie die Physiker erklären. In einem Experiment haben sie dieses Vierer-Netzwerk bereits erfolgreich getestet.

Quantennetzwerke für Jedermann

„Damit ist gezeigt, dass Quantennetzwerke Realität werden können – für Jedermann“, sagt Koautor Rupert Ursin von der Universität Wien. „Wir sind damit in der Lage, neue Kommunikationspartner in das Quantennetzwerk zu integrieren – und zwar mit lediglich minimalen Eingriffen.“ In Zukunft können so umfassende Netzwerke aufgespannt werden, die es allen Nutzer auch über große Distanzen erlauben, abhörsicher miteinander zu kommunizieren – eine Voraussetzung für den Aufbau eines Quanteninternets.

In weiteren Experimenten wollen die Forscher nun die Erweiterbarkeit der neuen Quanten-Netzwerkarchitektur unter Beweis stellen. Im globalen Rennen um die Entwicklung des Quanteninternets ist jetzt jedenfalls geklärt: Alice und Bob können künftig auch mit weiteren Partnern netzwerken. (Nature, 2018; doi: 10.1038/s41586-018-0766-y)

Quelle: Österreichische Akademie der Wissenschaften

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