Forscher aus Österreich zeigen Quanten-Repeater in Betrieb

Physikern der Universität Innsbruck in Österreich ist es gelungen, die wichtigsten Teile eines Quanten-Repeaters zu bauen. Das heißt: Die Forscher haben einen Knoten in einem voll funktionsfähigen Netzwerk entwickelt, der die Photonenverschränkung auf der Standardfrequenz von Telekommunikationsnetzen möglich macht. Die Lösung basiert auf einem Konzept theoretischer Physiker der Universität – diese hatten bereits vor 25 Jahren vorgeschlagen, wie sich Quanteninformationen mit einem solchen Repeater über große Entfernungen übertragen lassen.

Auf der Grundlage dieses Repeater-Knotens demonstrierte eine neue Generation von Forschern die Übertragung von Quanteninformationen über eine 50 Kilometer lange Glasfaser. Der Quanten-Repeater wurde dabei genau in der Mitte des Weges platziert. Die Wissenschaftler konnten indes mögliche Fortschritte im Design identifizieren, die eine Übertragung über 800 Kilometer ermöglichen soll.

Wie die am Projekt Beteiligten erklären, verbinden Quantennetzwerke Quantenprozessoren oder -sensoren miteinander. Der Austausch von Quanteninformationen zwischen den Knotenpunkten des Netzes erfolgt durch Photonen, die durch optische Wellen übertragen werden. Bei großen Entfernungen ist die Wahrscheinlichkeit sehr hoch, dass Photonen verloren gehen. Da Quanteninformation nicht einfach kopiert oder verstärkt werden kann, schlugen die Forscher Hans Briegel, Wolfgang Dür, Ignacio Cirac und Peter Zoller vor 25 Jahren ein Quanten-Repeater-Projekt vor.

Große Unternehmen wie Amazon haben bereits ihr Interesse an Quanten-Repeatern bekundet. „Wir können bereits in relativ kleinem Maßstab viel erreichen. Aber um wirklich eine globale Reichweite herzustellen, müssen noch einiges entwickelt werden. Hier kommt das Konzept des Quanten-Repeaters ins Spiel: Er macht im Wesentlichen das, was ein optischer Verstärker für klassische [Netzwerke] tut“, erklärte Antia Lamas-Linares, Leiterin des AWS Centre for Quantum Networks, gegenüber The Register.

Die Forschungsergebnisse der österreichischen Wissenschaftler wurden in den Physical Review Letters veröffentlicht. Das Forscherteam ist Teil der Quantum Internet Alliance, deren Ziel es ist, ein globales Quanteninternet made in Europe zu etablieren. Die Entwicklung eines Prototyps mit einem kompletten Stack soll das möglich machen – zusammen mit der Validierung aller wichtigen Subsysteme.

Szenario des potenziellen Quanten-Repeater-Marktes

Das Unternehmen IQT Research hat analysiert, wie hoch der Wert des Quanten-Repeater-Marktes sein wird und wer die wichtigsten Anbieter auf kommerzieller Ebene sein sollten. In den 1980er und 1990er Jahren verwandelten Verstärker optische Netzwerke in eine Kommunikationsplattform mit Höchstgeschwindigkeit – IQT Research glaubt, dass Ähnliches geschehen wird, wenn Quanten-Repeater in geballter Menge auf den Markt kommen.

Wichtig zu wissen ist, dass noch kein Unternehmen einen Quanten-Repeater für den kommerziellen Vertrieb entwickelt hat. Laut IQT Research beschäftigt sich jedoch eine Reihe von Anbietern mit der Technologie, darunter Cisco, ID Quantique, Juniper, Raytheon BBN, Qunnect, Aliro, NTT, NEC, Q-Bird, Toshiba und LQUOM.

Da viele Quanten-Repeater-Designs Quantenspeicher verwenden, wurden diverse Speicheransätze getestet – wie unter anderem Festkörperverunreinigungen, Quantenpunkte, eingefangene Ionen, neutrale Atome und kalte atomare Arrays, wie IQT Research aufzählt. Ein anderer Ansatz für die Entwicklung von Quanten-Repeatern verwendet rein optische Komponenten. Diese funktionieren bei Raumtemperatur, aber zeigen bei Größenbeschränkungen Nachteile auf.

IQT Research geht davon aus, dass der chinesische Markt für Quanten-Repeater in den kommenden Jahren dominieren wird. Währenddessen bleibt der europäische Markt weit abgeschlagen an zweiter Stelle liegen. Weiteren Prognosen zufolge wird die USA bis 2029 die Nutzungsmenge von Quanten-Repeatern anführen – vorausgesetzt, die Zusammenarbeit zwischen Regierung und Industrie nimmt bei der Entwicklung von Quantennetzwerken weiter zu und wird weiterhin gut finanziert.

Quantennetze in Sicht

Bis Ende Juli soll die Stadt Chattanooga, Tennessee, das erste kommerziell verfügbare Quantennetz in den Vereinigten Staaten einrichten. Laut Bloomberg wird das 4,5 Millionen US-Dollar teure Netz von der Firma Qubitekk entwickelt und von EPB, dem öffentlichen Dienstleister der Stadt, betrieben.

Bereits 2010 war Chattanooga die erste Stadt in den USA, die einen Glasfaser-Internetdienst mit einer Geschwindigkeit von einem Gigabit anbot. Das brachte der Stadt den Spitznamen Gig City ein. Im August 2022 wurde der Dienst auf 25 Gigabit pro Sekunde erweitert und kostete laut dem Artikel 1.500 US-Dollar pro Monat.

Mit dem neuen Quantennetzwerk möchte die Stadt die lokale Wirtschaft ankurbeln, indem sie es Unternehmen sowie Universitäten ermöglicht, neue Geräte und Anwendungen auf der Grundlage der Quantentechnologie zu entwickeln und zu testen. Der Bürgermeister von Chattanooga, Tim Kelly, kündigte kürzlich die Initiative „Gig City Goes Quantum“ an. Diese soll die Stadt in den Bereichen Bildung, Arbeitsplätze und Geschäftsmöglichkeiten im aufkommenden Sektor der Quantentechnologie vorbereiten. Ziel ist es, Menschen aller Altersgruppen in mehr als 1.000 Quanten-Lernaktivitäten einzubinden.

Das US-amerikanische Versorgungsunternehmen EPB aus Chattanooga geht davon aus, dass das Projekt die anfänglichen Investitionen innerhalb von fünf Jahren wieder einspielen wird.

Auch in Spanien schreiten die Entwicklungen voran: Ein Zusammenschluss von Unternehmen plant dort im Rahmen des Projekts MADQuantum-CM, das größte Quantennetzwerk in Europa aufzubauen. MadQCI wird über ein großstädtisches Glasfasernetz die Rechenzentren von Universitäten und Instituten verbinden. Das soll die Validierung neuer Technologien sowie die Entwicklung von Anwendungsfällen und Innovationen antreiben.

Das Projekt MADQuantum-CM soll insbesondere zeigen, wie sich Sicherheitslösungen im Madrider Wissenschaftsnetz, die sich auf die Quantenkommunikation beziehen, auf transparente Weise nutzen lassen. Darauf aufbauend können beispielsweise die Bereiche Quantenkryptografie und -kommunikation zur Unterstützung künftiger 6G-Netze eingesetzt werden.