Ein amerikanisches Team, das Forscher des Photonics Communication and Computing Center (CPCC) und des International Center for Advanced Internet Research (ICAIR) an der Northwestern University in Illinois zusammenbringt, hat auf diesem Gebiet einen bedeutenden Schritt nach vorne gemacht Quantenkommunikation durch Quantenteleportation auf Glasfaserkabeln, die bereits für den herkömmlichen Internetverkehr verwendet werden. Dieser große Durchbruch legt die Möglichkeit nahe, diese Art der Kommunikation in die bestehende Infrastruktur zu integrieren und so den kostspieligen Aufbau dedizierter Netzwerke zu vermeiden und gleichzeitig den Weg für einen schnelleren und intrinsisch sicheren Informationsaustausch zu ebnen.
Diese Koexistenz von Quanten- und klassischen Daten auf demselben physikalischen Medium galt aufgrund der Fragilität von Quantensignalen bisher als unwahrscheinlich. Die Übertragung einzelner Photonen, die Quanteninformationen transportieren, durch Kabel, die mit Millionen klassischer Lichtteilchen gesättigt sind, schien ein unüberwindbares Hindernis zu sein. Es genügt zu sagen, dass den Forschern eine echte experimentelle Leistung gelungen ist.
Quantenzustände teleportieren, um Informationen zu übertragen
Der Quantenteleportation besteht nicht im eigentlichen physischen Transport von Informationen. Es basiert auf dem Prinzip der Quantenverschränkung, bei dem zwei Teilchen so miteinander verbunden sind, dass sie miteinander verbunden sind Quantenzustände – also alle über sie verfügbaren Informationen und Eigenschaften – korrelieren, unabhängig von der Entfernung, die sie voneinander trennt. Anstatt die Informationen physisch zu senden, übertragen wir den Quantenzustand von einem Teilchen auf ein anderes, als ob die Informationen von einem Punkt zum anderen „teleportiert“ würden.
In der Praxis werden Quanteninformationen kodiert Photonen einzigartig, während herkömmliche Signale Millionen von Photonen verwenden. Die Quantenkommunikation, die möglicherweise nur durch die Lichtgeschwindigkeit begrenzt ist, verspricht einen nahezu sofortigen Informationsaustausch und eine erhöhte Sicherheit: Durch das Fehlen einer physischen Informationsübertragung besteht im Gegensatz zu herkömmlichen Systemen keinerlei Abhörgefahr während der Reise.
Die größte Herausforderung bestand darin, Interferenzen zwischen den äußerst empfindlichen Quantensignalen und dem massiven Fluss klassischer Daten zu vermeiden. Forscher lösten dieses Problem, indem sie bestimmte Wellenlängen identifizierten, bei denen die Lichtstreuung minimal ist. Durch die Platzierung der Quantenphotonen in diesen Spektralfenstern und den Einsatz spezieller Filter zur Reduzierung des durch klassische Übertragungen in optischen Fasern erzeugten Rauschens gelang es ihnen, die Integrität der Quanteninformationen zu bewahren. Das über eine Distanz von rund dreißig Kilometern durchgeführte Experiment bewies die Machbarkeit der Methode: Die Ergebnisse zeigten, dass die Quantenteleportation auch bei starkem Internetverkehr ohne nennenswerten Qualitätsverlust durchgeführt werden konnte.
Quantenschlüssel zur Erkennung von Abhörversuchen
Ein ergänzendes Experiment fand in Italien statt, wo eine Zusammenarbeit zwischen Retelit (dem führenden italienischen B2B-Telekommunikationsunternehmen), dem auf Telekommunikation, digitale Lösungen und E-Mobilität spezialisierten Systemintegrator Telebit und ThinkQuantum (einem Spin-off-Unternehmen der Universität Padua) stattfand. schaffte es, das zu nutzen Quantenschlüsselverteilung (Quantenschlüsselverteilungoder QKD) zur Sicherung der über Glasfaserkabel übertragenen Daten. Diese Methode basiert auf den Prinzipien der Quantenmechanik und ermöglicht insbesondere die sichere Generierung und Verteilung von Verschlüsselungsschlüsseln. Es stellt sicher, dass Absender und Empfänger von jedem Abhörversuch erfahren und unterbricht anschließend die Kommunikation, sodass ein Datendiebstahl unmöglich wird.
Das Experiment wurde auf mehreren Kilometern Glasfaserkabeln zwischen Treviso und der Stadt Mestre in der Region Venedig durchgeführt und zeigte, dass QKD mit klassischen Datenkanälen koexistieren kann, wobei hier auch unterschiedliche Frequenzen auf derselben Glasfaser verwendet werden.
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Die Quantenteleportation hat das Labor noch nicht verlassen
Die Forscher planen nun, ihre Experimente über größere Entfernungen und mit mehreren Paaren verschränkter Photonen auszudehnen, um das Konzept des Verschränkungsaustauschs zu demonstrieren, einen weiteren wichtigen Schritt in Richtung verteilter Quantennetzwerke. Das längerfristige Ziel besteht darin, Experimente außerhalb von Laboratorien unter kontrollierten Bedingungen durchzuführen, um die Relevanz dieser Fortschritte bei den Betriebsbedingungen zu validieren. Die Anpassung dieser Technologien an reale Kommunikationsnetze bleibt eine große Herausforderung, da der Übergang zu Erdkabeln und über große Entfernungen neue Schwierigkeiten mit sich bringen könnte: Quantenverschränkung ist ein fragiles Phänomen, das empfindlich gegenüber Interferenzen und Kohärenzverlusten ist.
Es liegt noch ein langer Weg vor uns: Die Quantenkommunikation für alle zugänglich zu machen und die Art und Weise, wie wir kommunizieren und Informationen austauschen, zu verändern, wird noch erhebliche Anstrengungen erfordern und viele Hindernisse müssen noch überwunden werden. Dabei denken wir insbesondere an die Kosten, die mit der Herstellung von Quantenkomponenten, Einzelphotonenquellen, Detektoren oder auch Steuergeräten verbunden sind …
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Quelle :
OPTISCH
