Quantennetzwerk

Unter einem Quantennetzwerk (manchmal auch Quanteninternet[1]) versteht man die Verbindung von Quanteninformationsträgern (Quantenknoten) mittels Quantenkanälen.

Konzept

Da sich Quanteninformation (z. B. Qubits) aufgrund des No-Cloning-Theorems nicht kopieren lässt, ist eine Informationsübertragung wie in einem klassischen Netzwerk nicht möglich. Vielmehr muss ein Transfer des Quantenzustandes von einem zum anderen Knoten erfolgen. Eine Möglichkeit dies zu erreichen ist die Verwendung von Quantenteleportation. Ist die Übertragungsstrecke so groß, dass Pfadverluste eine Rolle spielen, bietet sich das Schema des Quantenrepeaters an.

Sollen beliebige Verbindungen zwischen verschiedenen Orten auf Basis der Quantenkryptographie aufgebaut werden (Long-Distance Quantum Communication[2]), wird ein Netzwerk an Repeaterstationen benötigt, das mit der Infrastruktur des heutigen Internet verglichen werden kann. Ein solches Quantennetzwerk ist noch weit entfernt vom alltäglichen Einsatz; die dafür benötigten Bausteine wurden aber bereits international als Prototypen in Labors implementiert.

Verteilte Quantencomputer

Quantennetzwerke können auch verteilte Quantencomputer bilden. Dadurch könnten Beschränkungen einzelner Quantencomputer überschritten werden.[3][4] Verteilte konventionelle Supercomputer wie folding@home haben eine Leistungsfähigkeit zur Ausführung geeigneter Algorithmen, die der aufsummierten nutzbaren/genutzten Rechenkapazität deren einzelnen Teilsystemen entspricht.

Prototypen

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.[5][6] 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.[7][8]

Rundfunkberichte

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

Einzelnachweise

The Quantum Internet
Long-distance quantum communication with atomic ensembles and linear optics
Quantum systems learn joint computing (en). In: phys.org. Abgerufen am 7. März 2021.
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, Nr. 6529, 5. Februar 2021, ISSN 0036-8075, S. 614–617. arxiv:2103.13095. doi:10.1126/science.abe3150.
The world's first integrated quantum communication network (en). In: phys.org.
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, Nr. 7841, January 2021, ISSN 1476-4687, S. 214–219. doi:10.1038/s41586-020-03093-8. PMID 33408416.
Multi-user communication network paves the way towards the quantum internet. In: Physics World, 8. September 2020.
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, Nr. 36, 1. September 2020, ISSN 2375-2548, S. eaba0959. doi:10.1126/sciadv.aba0959. PMID 32917585. PMC 7467697 (freier Volltext).

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

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[1] The Quantum Internet

[2] Long-distance quantum communication with atomic ensembles and linear optics

[3] Quantum systems learn joint computing (en). In: phys.org. Abgerufen am 7. März 2021.

[4] 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, Nr. 6529, 5. Februar 2021, ISSN 0036-8075, S. 614–617. arxiv:2103.13095. doi:10.1126/science.abe3150.

[5] The world's first integrated quantum communication network (en). In: phys.org.

[6] 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, Nr. 7841, January 2021, ISSN 1476-4687, S. 214–219. doi:10.1038/s41586-020-03093-8. PMID 33408416.

[7] Multi-user communication network paves the way towards the quantum internet. In: Physics World, 8. September 2020.

[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, Nr. 36, 1. September 2020, ISSN 2375-2548, S. eaba0959. doi:10.1126/sciadv.aba0959. PMID 32917585. PMC 7467697 (freier Volltext).