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Abhörsicheres Quanteninternet : Lauscher haben bald keine Chance mehr

Auf verschränkten Photonen basierende Quantenschlüssel lassen sich bereits zuverlässig über Entfernungen von mehreren hundert Kilometern zwischen zwei Knoten mit Hilfe von Glasfasern, aber auch durch die Atmosphäre austauschen. Will man mehrere Knoten miteinander vernetzen, bedarf es allerdings eines großen technischen Aufwands. Jeder Teilnehmer muss neben einem Detektor noch über eine eigene Lichtquelle verfügen, mit der er die Photonen für die Quantenbotschaften erzeugt. Doch jede weitere Datenleitung macht ein solches Netz nicht nur teuer, sondern auch wegen der zusätzlichen Geräte anfällig für Lauschangriffe. Genügen bei vier Teilnehmern noch sechs Datenleitungen, um jeden mit jedem zu verbinden, so sind es bei zehn Knoten bereits 54.

Quantencodes spuken in Bristol

Dieses Dilemma können die Physiker aus Bristol und Wien mit einer neuen Netzwerkarchitektur vermeiden. Um acht Knoten zu vernetzen, benötigen sie nur acht statt 28 Glasfaserleitungen. Jede ist mit einer zentralen Lichtquelle verbunden, die Paare verschränkter Photonen erzeugt und an die Teilnehmer verschickt. Damit jeder Knoten auch jeweils ein verschränktes Photon erhält, mit dem er einen Quantenschlüssel erzeugen kann, nutzen sie ein Multiplex-Verfahren, wie man es üblicherweise in der Elektronik und der Telekommunikation nutzt. Mit Strahlteilern und halbdurchlässigen Spiegeln verteilen sie die Lichtquanten paarweise an die acht Knoten. Jene Teilnehmer, bei denen ein verschränktes Photonenpaar gleichzeitig eintrifft, können abhörsicher miteinander kommunizieren, so die Forscher. Die Photonenpaare werden zudem mit verschiedenen Wellenlängen generiert. Die Kommunikationspartner müssen sich nur auf Lichtquanten mit gleichen Wellenlängen konzentrieren.

Mehr Hardware benötigen die einzelnen Teilnehmer nicht für die abhörsichere Quantenkommunikation. Die Lichtleiter sind zum Teil an das öffentliche Glasfasernetz der Stadt Bristol gekoppelt.
Mehr Hardware benötigen die einzelnen Teilnehmer nicht für die abhörsichere Quantenkommunikation. Die Lichtleiter sind zum Teil an das öffentliche Glasfasernetz der Stadt Bristol gekoppelt. : Bild: Siddarth K. Joshi

Die Forscher haben ihr Quantennetzwerk mit dem öffentlichen Glasfasernetz von Bristol getestet. Jeder der acht Teilnehmer befand sich zwar im gleichen Gebäude der örtlichen Universität, die Signalwege variierten aber zwischen zehn Metern und 12,5 Kilometern. „Wir konnten das Netzwerk 17 Stunden lang am Laufen halten und Datenraten zwischen fünf und 300 Bit pro Sekunde erzeugen“, sagt Sören Wengerowski von der Universität Wien, der an den Experimenten beteiligt war. Das dürfte für kürzere Nachrichten ausreichen, jedoch nicht für große Text-, Audio- und Videodateien. Denn der generierte Schlüssel muss die gleiche Länge haben wie die eigentliche Nachricht selbst, die schließlich über eine normale Internetverbindung übertragen wird. Mit technischen Verbesserungen hoffen die Forscher die Datenrate erhöhen zu können.

Allerdings dürfte das Quanteninternet bislang nur für Großstädte mit ihren überschaubaren Entfernungen funktionieren. Für die Kommunikation zwischen zwei weit entfernten Städten über Kontinente hinweg wird man die Photonen immer wieder mit einem Quantenrepeater auffrischen oder über Satelliten auf die Bodenstationen verteilen müssen. Dass es möglich ist, einen Quantenschlüssel per Satellit zwischen zwei rund 1120 Kilometer voneinander entfernten Knoten auszutauschen, haben kürzlich chinesische Forscher in einem spektakulären Freilandversuch gezeigt.

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