Quantennetzwerk

Unter einem Quantennetzwerk (manchmal auch Quanteninternet) versteht man die Verbindung von Quanteninformationsträgern (Quantenknoten) mittels Quantenkanälen. Die Struktur eines Quantennetzwerks ähnelt der eines klassischen Netzwerks, aber die Übertragung von Information erfordert ein anderes Vorgehen als bei einem klassischen System.

Grundlagen

Aufbau von Quantennetzwerken

Die Struktur eines Quantennetzwerks ähnelt der eines klassischen Netzwerks. Die Knoten sind einzelne Qubits oder Quantencomputer. Diese werden miteinander verbunden, z. B. durch Glasfaserleitungen, über die Photonen ausgetauscht werden. Die Übertragung von Information erfordert ein anderes Vorgehen als bei einem klassischen System. In einem klassischen System kann man durch Messung vollständige Informationen über einen beliebigen Zustand erhalten und damit den Zustand kopieren. In einem quantenmechanischen System ist das unmöglich. Der Quantenzustand eines Qubits lässt sich aufgrund des No-Cloning-Theorems nicht kopieren. Man kann jedoch den Zustand selber übertragen, wenn man Eigenschaften der Quantenverschränkung ausnutzt. Das entsprechende Verfahren heißt Quantenteleportation. Damit überträgt man den quantenmechanischen Zustand eines Quantensystems (Quelle), z. B. eines Photons oder eines Qubits, auf ein anderes Quantensystem (Ziel). Der Zustand der Quelle wird durch die Übertragung verändert. Ist die Übertragungsstrecke so groß, dass Pfadverluste eine Rolle spielen, bietet sich der Einsatz von Quantenrepeatern an.

Quantennetzwerke für die Kommunikation

Sollen Verbindungen zwischen weit entfernten Orten Methoden der Quantenkryptographie nutzen (Long-Distance Quantum Communication), wird ein Netzwerk von Repeaterstationen benötigt, das der Infrastruktur des heutigen Internet ähnelt. Ein solches Quantennetzwerk ist noch weit entfernt vom alltäglichen Einsatz. Prototypen der dafür benötigten Bausteine wurden aber bereits international in Labors implementiert.

Das weltweit größte Netzwerk aus Quantenkommunikationsnetzwerken verbindet Shanghai und Beijing und integriert über 700 Lichtleiter und zwei Satellit-Verbindungen, wodurch es Knoten mit Entfernungen von bis zu 4.600 km möglich ist Quantenschlüssel auszutauschen. Dabei wurde eine Trusted Relay Struktur verwendet. Ein weiteres Beispiel für ein prototypisches Quantenkommunikationsnetzwerk ist ein stadtgroßes Quantennetzwerk für acht Nutzer in Bristol, wobei die bereits vorhandene Glasfaser-Infrastruktur verwendet wurde und kein aktives Switching oder vertrauenswürdige Knoten benötigt werden.

Quantennetzwerke zur Erhöhung der Rechenleistung

Siehe auch: Rechnerverbund

Die Anzahl der zur Verfügung stehenden Qubits beschränkt die Rechenleistung eines Quantencomputers. Wenn man mehrere Quantencomputer zu einem verteilten System verbindet, könnten Systeme entstehen, die über mehr Qubits verfügen als die einzelnen Quantencomputer und dadurch deren Beschränkungen umgehen. Verteilte konventionelle Supercomputer wie folding@home haben eine Leistungsfähigkeit zur Ausführung geeigneter Algorithmen, die der aufsummierten nutzbaren/genutzten Rechenkapazität deren einzelnen Teilsystemen entspricht.

Rundfunkberichte

• Ralf Krauter und Frank Grotelüschen: Web Q.0 – Das Quanteninternet nimmt Gestalt an, Deutschlandfunk – „Wissenschaft im Brennpunkt“ vom 12. August 2018

Einzelnachweise

1. The Quantum Internet
2. Long-distance quantum communication with atomic ensembles and linear optics
3. The world's first integrated quantum communication network In: phys.org (englisch) 
4. Yu-Ao Chen, Qiang Zhang, Teng-Yun Chen, Wen-Qi Cai, Sheng-Kai Liao, Jun Zhang, Kai Chen, Juan Yin, Ji-Gang Ren, Zhu Chen, Sheng-Long Han, Qing Yu, Ken Liang, Fei Zhou, Xiao Yuan, Mei-Sheng Zhao, Tian-Yin Wang, Xiao Jiang, Liang Zhang, Wei-Yue Liu, Yang Li, Qi Shen, Yuan Cao, Chao-Yang Lu, Rong Shu, Jian-Yu Wang, Li Li, Nai-Le Liu, Feihu Xu, Xiang-Bin Wang: An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres. In: Nature. 589. Jahrgang, Nr. 7841, Januar 2021, ISSN 1476-4687, S. 214–219, doi:10.1038/s41586-020-03093-8, PMID 33408416 (englisch, nature.com). 
5. Multi-user communication network paves the way towards the quantum internet In: Physics World, 8. September 2020 
6. Quantum systems learn joint computing In: phys.org. Abgerufen am 7. März 2021. (englisch) 
7. Severin Daiss, Stefan Langenfeld, Stephan Welte, Emanuele Distante, Philip Thomas, Lukas Hartung, Olivier Morin, Gerhard Rempe: A quantum-logic gate between distant quantum-network modules. In: Science. 371. Jahrgang, Nr. 6529, 5. Februar 2021, ISSN 0036-8075, S. 614–617, doi:10.1126/science.abe3150, arxiv:2103.13095 (englisch, sciencemag.org). 
8. Siddarth Koduru Joshi, Djeylan Aktas, Sören Wengerowsky, Martin Lončarić, Sebastian Philipp Neumann, Bo Liu, Thomas Scheidl, Guillermo Currás Lorenzo, Željko Samec, Laurent Kling, Alex Qiu, Mohsen Razavi, Mario Stipčević, John G. Rarity, Rupert Ursin: A trusted node–free eight-user metropolitan quantum communication network. In: Science Advances. 6. Jahrgang, Nr. 36, 1. September 2020, ISSN 2375-2548, S. eaba0959, doi:10.1126/sciadv.aba0959, PMID 32917585, PMC 7467697 (freier Volltext) – (englisch, sciencemag.org). 

Quellen

• Seth Lloyd, Jeffrey H. Shapiro, and Franco N. C. Wong, Prem Kumar, Selim M. Shahriar, and Horace P. Yuen: Infrastructure for the Quantum Internet; in: ACM SIGCOMM Computer Communications Review Volume 34, Number 5: Oktober 2004, S. 9–20.
• John Preskill: Plug-in quantum software, Nature, Volume 402, 25. November 1999, S. 357–358