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In einem unerwarteten Meilenstein für die Quantenkommunikation haben Forschende in den Vereinigten Staaten erfolgreich einen Quantenzustand von Licht über mehr als 30 Kilometer aktives Glasfaserkabel teleportiert, während dieses reales Internetdaten transportierte. Das Experiment zeigt, dass empfindliche Quantensignale in der lauten Umgebung bestehender Telekommunikationsinfrastruktur überleben können – ein entscheidender Schritt hin zu einem praxisnahen Quanteninternet, robusterer Quantenverschlüsselung und neuartigen Sensortechnologien. Diese Demonstration kombiniert Grundlagenforschung in Quantenphysik mit praktisch orientierter Ingenieurarbeit und liefert damit wichtige Erkenntnisse für die Integration von Quantenkanälen in vorhandene Netze.
How they made teleportation work on a busy network
Quanten-Teleportation klingt wie Science-Fiction: der genaue Quantenzustand eines Teilchens an einem Ort wird auf ein anderes Teilchen an einem anderen Ort übertragen, ohne dass das Teilchen selbst bewegt wird. In der Praxis bedeutet Teleportation, den probabilistischen Quantenzustand eines Photons auf ein anderes Photon zu übertragen, indem zwei Teilchen verschränkt werden und koordinierte Messungen durchgeführt werden. Diese Messungen kollabieren den ursprünglichen Zustand und ermöglichen zusammen mit klassischer Information die Rekonstruktion des Zustands am Empfangsende. Wichtig ist dabei die Kombination aus Quantenverschränkung (Entanglement) und klassischer Kommunikation, die gemeinsam die vollständige Übertragung eines Quantenzustands erlauben, ohne dass ein physischer Transport des ursprünglichen Photons erforderlich ist.
Doch ein einzelnes QuantPhoton in Glasfaser zu senden, die bereits mit klassischem Datenverkehr gesättigt ist, ist extrem anspruchsvoll. Thermische Bewegung, stray elektromagnetische Störungen, Streuung und nichtlineare Effekte tragen dazu bei, die fragile Quanteninformation in einem Prozess zu zerstören, der als Dekohärenz bekannt ist. Dekohärenz führt dazu, dass Überlagerungszustände und verschränkte Korrelationen verloren gehen und damit die Information unbrauchbar wird. Das Team musste diese Herausforderungen überwinden, während die Glasfaser etwa 400 Gigabit pro Sekunde an Internetverkehr führte – Banktransaktionen, Streaming-Video, Messaging und anderes bewegten sich gleichzeitig im selben physischen Medium.
Glasfaserkabel werden zur Übertragung von Internetkommunikation genutzt. (alphaspirit it/Canva)
Anstatt dedizierte Quantenleitungen zu verlegen, stimmten die Forschenden den Quantenkanal auf Wellenlängen und Zeitschlitze ab, die Streuung und Crosstalk mit den klassischen Datenströmen minimieren. Durch sorgfältige Charakterisierung, wie Licht im Kabel gestreut wird, und durch Platzierung der Quantenphotonen an einem "gerichteten Punkt" im Spektrum, reduzierte das Team das Risiko, dass sich das Quantensignal mit dem gewöhnlichen Internetverkehr vermischt. Dabei spielten Kenntnisse aus Glasfaserphysik, Wellenlängenmultiplexing (WDM), Raman- und Brillouin-Streuung sowie nichtlinearen Wechselwirkungen eine zentrale Rolle. Das Ergebnis war die erfolgreiche Teleportation des Quantenzustands über mehr als 30 km aktive Glasfaser.
"Das ist unglaublich spannend, weil kaum jemand dachte, dass das möglich wäre", sagte Prem Kumar, ein Informatik- und Quantum-Engineering-Forscher an der Northwestern University, der die Studie leitete. "Unsere Arbeit zeigt einen Weg, wie nächste Generationen von Quanten- und klassischen Netzwerken eine einheitliche Glasfaserinfrastruktur teilen können." Seine Aussage betont, dass eine koexistente Strategie – also Quanten- und klassische Kommunikation auf dem gleichen physikalischen Träger – die Einführung von Quantenkommunikation erheblich beschleunigen könnte, da großflächiger Ausbau neuer Infrastruktur vermieden wird.
Why this matters: quantum internet without new highways
Frühere Labordemonstrationen sendeten Quantensignale meist neben simulierten klassischen Daten oder benutzten spezialisierte Faserleitungen, die für Versuchszwecke isoliert waren. Kumars Team ist nach eigener Kenntnis das erste, das einen Quantenzustand teleportierte, während gleichzeitig realer Internetverkehr durch dasselbe Kabel floss. Das zeigt, dass wir möglicherweise nicht die globalen Netze komplett neu aufbauen müssen, um Quantenfähigkeiten hinzuzufügen – wenn Wellenlängen, Zeitfenster und Protokolle sorgfältig gewählt werden, können klassische und Quantenkommunikation auf derselben physischen Infrastruktur koexistieren. Diese Erkenntnis hat große Auswirkungen auf Netzbetreiber, Telekommunikationsanbieter und Infrastrukturplaner, weil sie Investitionskosten und Rollout-Zeiten erheblich beeinflussen könnte.
Praktische Quantenverbindungen könnten mehrere technologische Fortschritte ermöglichen und Branchen verändern:
- Sichere Quanten-Schlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD), die resilient gegen Angriffe mit zukünftigen Quantencomputern ist und so langfristige Datensicherheit verbessert.
- Verteiltes Quantencomputing, bei dem geografisch getrennte Prozessoren verschränkte Zustände teilen, um kollektive Rechenaufgaben zu lösen oder Quantenressourcen gemeinsam zu nutzen.
- Verbesserte Sensorik und Metrologie, die Verschränkung nutzt, um Messtechniken zu entwickeln, die klassische Grenzen in Genauigkeit und Empfindlichkeit überschreiten, etwa für präzise Zeitmessung, LIDAR oder medizinische Bildgebung.
"Quanten-Teleportation hat das Potenzial, Quanten-Konnektivität sicher zwischen räumlich getrennten Knoten bereitzustellen", fügte Kumar hinzu. "Viele hatten angenommen, dass niemand spezialisierte Infrastruktur bauen würde, um Lichtteilchen gezielt zu senden. Wenn wir die Wellenlängen richtig wählen, müssen wir keine neue Infrastruktur aufbauen. Klassische Kommunikation und Quantenkommunikation können koexistieren." Diese Aussage verweist auch auf pragmatische Vorteile für Netzbetreiber: durch den Einsatz von Bandbreitenmanagement, Wellenlängenplanung und robusten Betriebsprotokollen lassen sich Quantenkanäle in bestehende Service-Level-Agreements integrieren.
Technical snapshot: entanglement, photons and noise control
Das Experiment teleportierte den Quantenzustand eines Lichtfeldes — effektiv den Zustand eines einzelnen Photons — und nicht makroskopische Objekte. Verschränkung (Entanglement) stellte korrelierte Quantenidentitäten zwischen Sender und Empfänger her. Eine gemeinsame Messung am Sender zerstörte den ursprünglichen Zustand und übertrug klassische Information, die es dem Empfänger ermöglichte, diesen Zustand auf einem gepaarten Photon zu rekonstruieren. Wichtig ist, dass die Quanteninformation nicht durch Signalverstärkung weitergegeben werden kann wie klassische Signale; stattdessen sind Kombinationen aus Entanglement-Verteilung, Messung und klassischer Kommunikation nötig.
Schlüssel zum Erfolg waren Maßnahmen, die einschränkten, wo und wann die Quantenphotonen mit dem klassischen Verkehr interagieren konnten: intelligente Wellenlängenauswahl, temporales Gating (zeitliche Begrenzung der Photonenfenster) und präzise Kontrolle der Streuungseffekte. Konstruktive Nutzung von WDM-Techniken, gepulsten Laserquellen, Photonendetektoren mit hoher Zeitauflösung und adaptiven Filtermechanismen reduzierten die Dekohärenz lange genug, damit die Teleportation abgeschlossen werden konnte — trotz eines Stroms von Hintergrunddaten und typischen Nichtidealitäten, die in kommerziellen Glasfasern auftreten. Diese technischen Maßnahmen bauen auf etablierten Elementen der Glasfaseroptik und Quantenoptik auf, kombinieren sie jedoch auf neue Weise, um Koexistenz zu ermöglichen.
Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse in der Fachzeitschrift Optica und unterstreicht damit eine reproduzierbare Technik zur Integration von Quantenkanälen in das aktuelle Internet-Backbone. Die Studie liefert außerdem Messdaten zu Fehlerquoten, Signal-Rausch-Verhältnissen und optimalen Betriebsfenstern, die Netzingenieuren als Grundlage für Pilotprojekte dienen können. Ein Video-Clip der Forscher fasst die wichtigsten Erkenntnisse zusammen und veranschaulicht experimentelle Aufbauten und Messergebnisse für ein breiteres Publikum.
Implications and next steps for quantum networks
Obwohl diese Demonstration nicht erlaubt, physische Objekte zu "beamen", zeigt sie doch, dass der Quantenzustand, der für sichere Verbindungen und verteilte Quantenaufgaben erforderlich ist, neben alltäglichem Internetverkehr reisen kann. Zukünftige Arbeiten werden darauf abzielen, die Distanz zu skalieren, Fehlerquoten weiter zu verbessern und Quantenrepeater zu integrieren, die Verschränkung über noch längere Strecken erweitern. Quantenrepeater sind entscheidend für den Aufbau eines großflächigen Quanteninternets, da direkte Verschränkung über viele hundert Kilometer ohne Wiederaufbereitung schnell unpraktikabel wird. Solche Repeater erfordern wiederum robuste Quanten-Speicher, effiziente Frequenzkonverter und ausgefeilte Fehlerkorrekturmechanismen.
Ingenieurinnen und Ingenieure werden auch Multiplexing-Verfahren verfeinern, damit viele Quantenkanäle Fasern ohne gegenseitige Störung teilen können. Techniken wie Raum- oder Polarisationsmultiplexing, verbesserte Filter, dynamische Wellenlängenverwaltung und Protokolle zur Koordination zwischen klassischen Netzwerkgeräten und Quantenhardware sind mögliche Lösungswege. Zudem müssen Betriebsprotokolle, Netzwerkmanagement-Tools und Monitoring-Systeme entwickelt werden, die Quantenzustände in Echtzeit überwachen und adaptive Gegenmaßnahmen bei Störungen erlauben.
Langfristig könnten diese Fortschritte zu hybriden klassischen–quantischen Netzwerken führen, in denen Daten, kryptografische Schlüssel und Quantenressourcen gemeinsam transportiert werden. Solche integrierten Netzwerke würden die Einführung quantenverbesserter Dienste im Alltag beschleunigen, ohne dass kostspielige Ersetzungen der vorhandenen Infrastruktur nötig wären. Anwendungen reichen von ultrahochsicheren Finanztransaktionen über verteilte wissenschaftliche Berechnungen bis hin zu neuen Formen sensornetzwerkgestützter Umwelterfassung und kritischer Infrastrukturüberwachung.
Expert Insight
"Dieses Experiment stellt eine pragmatische Brücke zwischen fundamentaler Quantenphysik und der unordentlichen Realität kommerzieller Netzwerke dar", sagt Dr. Lena Ortiz, eine Quantenkommunikationsingenieurin (fiktiv) mit Erfahrung in Glasfaser-Deployments. "Indem die Koexistenz mit hochrateigem klassischem Verkehr nachgewiesen wurde, kann das Feld vom isolierten Laboraufbau zu Pilotprojekten auf kommunaler und nationaler Ebene übergehen. Die nächste Herausforderung liegt in robuster Fehlerkorrektur und in Betriebsprotokollen, die in großem Maßstab funktionieren."
Ortiz betont außerdem die Bedeutung standardisierter Schnittstellen zwischen klassischer Netzwerktechnik und Quantenhardware sowie die Notwendigkeit, Netzbetreiber, Regulierungsbehörden und Industriepartner frühzeitig einzubinden. Nur durch gemeinsame Entwicklung von Standards für Quantenkanal-Layer, Interoperabilität und Sicherheitszertifizierung kann die Technologie zuverlässig in produktive Netze integriert werden. Darüber hinaus sind wirtschaftliche Modelle gefragt, die den Mehrwert quantensicherer Dienste gegenüber zusätzlichen Investitionen abwägen.
Insgesamt legt die Demonstration nahe, dass Quantenkommunikation auf praktischem Weg in bestehende Telekommunikationslandschaften eingebracht werden kann. Forschung und Entwicklung werden sich nun darauf konzentrieren, die Reichweite zu erhöhen, die Robustheit und Skalierbarkeit zu verbessern und die Schnittstellen zur klassischen Netzinfrastruktur weiter zu industrialisieren. Wenn diese Schritte gelingen, stehen die Chancen gut, dass Quanteninternet-Technologien in den kommenden Jahren zunehmend in kommerziellen Anwendungen sichtbar werden – von sicherer Kommunikation bis hin zu neuen Mess- und Rechenverfahren, die heutige Grenzen überwinden.
Quelle: sciencealert
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