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Informatik:Das Quanteninternet wird bunt

FILE PHOTO: A man takes a photo of a model of the IBM Q System One quantum computer during the 2020 CES in Las Vegas

Quantencomputer sind mit der Grund, weshalb aus dem heutigen Internet einmal ein Quanteninternet werden könnte.

(Foto: Steve Marcus/REUTERS)

Forscher entwickeln eine neue Form des Quanteninternets. Signale in verschiedenen Farben sorgen für Sicherheit und halten die Kosten gering.

Von Julian Rodemann

Als der US-amerikanische Informatiker Paul Baran im August 1964 seinen Aufsatz "On Distributed Communications" veröffentlichte, nahm kaum jemand Notiz davon. Dabei legte die darin beschriebene Idee, Daten in Pakete aufzuteilen, den Grundstein für eine Technologie, die alles verändern sollte: das Internet. Ziemlich genau 56 Jahre später könnte nun die Arbeit einer 15-köpfigen Forschungsgruppe an der Universität Bristol dieses Internet deutlich sicherer machen - und einer neuen Technik den Weg ebnen: dem Quanteninternet. Den Informatikern und Physikern um Siddarth Joshi gelang es, ein abhörsicheres Quantennetzwerk mit acht Teilnehmern einzurichten. Ihre Studie ist jetzt im Fachmagazin Science Advances erschienen.

Schon lange ist klar, dass in der Quantenmechanik großes Potenzial für das Versenden und Kodieren von Nachrichten steckt. Bisher funktioniert das Verschlüsseln von Daten ungefähr so: Um an sensible Informationen zu gelangen, müssten Angreifer eine lange Kette komplexer Aufgaben lösen. Das ist meist unmöglich, weil die Rechnerkapazität zu klein ist. Endgültige Sicherheit aber bieten solche Verschlüsselungen nicht - Hackern gelingt es immer wieder, sich in die Kommunikation einzuschalten und so Daten abzufangen.

Die Quantenkommunikation stellt das alles auf den Kopf und verspricht nahezu hundertprozentige Sicherheit. Sie beruht auf dem Prinzip der Quantenverschränkung, einem Phänomen, das Albert Einstein einst als "spukhafte Fernwirkung" bezeichnet hat. Wie von Geisterhand nehmen dabei zwei voneinander entfernte Lichtteilchen gleichzeitig einen korrespondierenden Zustand an.

Informatiker nutzen das aus, indem sie solche miteinander "verschränkten" Teilchen als Boten zwischen Computern einsetzen. Die Teilchen wissen sozusagen voneinander, weshalb das Verfahren auch Teleportation genannt wird. Greift ein Eindringling auf die Teilchen zu, hebt er den verschränkten Zustand auf und fliegt auf, ohne an Informationen zu gelangen.

Diese sogenannte Quantenkryptografie ist bereits im Einsatz, unter anderem wurden 2007 testweise Wahlergebnisse in der Schweiz so übertragen. Diverse Banken und Behörden in China wiederum nutzen schon seit Jahren eine Quantenverbindung, um den Schlüssel zum Decodieren ihrer Kommunikation sicher zu übertragen. Die Technik gilt als todsicher, hat jedoch einen entscheidenden Haken: Mit ihr lassen sich immer nur jeweils zwei Computer verbinden. Für ein mögliches Quanteninternet bedeutet das, dass jeder neue Teilnehmer mit allen anderen einzeln verbunden werden muss - ein Problem, denn die Zahl der so notwendigen Verbindungen explodiert mit der Anzahl der Teilnehmer: Werden bei drei Computern noch drei Verbindungen benötigt, so sind es bei zehn bereits 45; für 100 Teilnehmer braucht man sogar fast 5000 Verknüpfungen.

Die Einrichtung eines Quanteninternets gilt daher bislang als aufwendig und teuer. Siddarth Joshi und seine Kollegen gehen nun einen anderen Weg: Statt alle Teilnehmer mit allen zu verknüpfen, ordnen sie ihr Netzwerk sternförmig an, sodass pro Teilnehmer prinzipiell nur eine Verbindung nötig ist. Bei großen Netzen spart man sich so sehr viele teure Verknüpfungen. In der Mitte befindet sich eine Art Verteiler, der die Signale an alle Teilnehmer weitergibt. Joshis Team bringt außerdem Farbe ins Spiel: In ihrem Netz werden mehrere Lichtteilchen gleichzeitig verschickt - eins pro Empfänger. Damit diese auseinandergehalten werden können, besitzen sie verschiedene Farben.

Im aktuellen Versuch gelang die Kommunikation über 17 Kilometer

Diese Technik, Multiplexing genannt, könnte das Quanteninternet von einer theoretischen Träumerei zu einer praktikablen Lösung vieler Sicherheitsprobleme im Internet machen. Durch die gesparten Verbindungen kostet die neue Technik deutlich weniger. Während ein herkömmliches Quantennetzwerk für 100 Nutzer ungefähr 5,6 Milliarden Euro koste, schlage die Multiplex-Technik mit nur knapp sechs Millionen Euro zu Buche, schätzt Joshi. "Das macht das Quanteninternet zu einem viel realistischeren Vorhaben."

Anders als Paul Barans Ideen zur Datenübertragung im Jahr 1964 haben die Forscher um Siddarth Joshi ihr Netz bereits in die Praxis umgesetzt. Die Physiker und Informatiker nutzten dafür das Glasfasernetz rund um die Universität Bristol. So demonstrierten sie, dass die Quantenkommunikation unter realen Bedingungen über bis zu 17 Kilometer Entfernung funktioniert. "Das Schöne an dieser neuen Technik ist, neben der absoluten Sicherheit, dass sie kaum neue Hardware erfordert und ganz einfach in vorhandene Systeme integriert werden kann", sagt Joshi.

Der Wissenschaftler legt deshalb auch Wert auf die Feststellung, dass Quantenkommunikation das bestehende Internet nicht ablösen, sondern verändern wird. "Das Quanteninternet ergänzt bestehende Kommunikationstechnik, indem es insbesondere dessen Sicherheit erhöht", sagt er auf Nachfrage. Quantennetzwerke seien bereits jetzt umsetzbar, sie erforderten keine Quantencomputer, nur kleine Module, die Lichtteilchen empfangen können. "Solche Module könnten eines Tages einfach als zusätzlicher Chip in handelsüblichen PCs stecken", erklärt Joshi.

Dabei sind Quantencomputer mit der Grund, weshalb aus dem heutigen Internet einmal ein Quanteninternet werden könnte. Denn die enorme Rechenleistung der neuen Quantencomputer bedroht die klassische Verschlüsselungstechnik im Netz. Zukünftige Superrechner könnten die heutigen Kodierungen im Handumdrehen knacken. In der Kryptografie - dem Teilgebiet der Informatik, das sich mit Informationssicherheit befasst - ist deshalb schon heute von der Post-Quanten-Kryptografie die Rede.

Quantencomputer basieren - genau wie die Quantenkommunikation - auf der physikalischen Erkenntnis, dass Teilchen mehr als einen Zustand zur selben Zeit annehmen können. Quantencomputer rechnen daher mit "Qubits" statt mit "Bits" wie herkömmliche Rechner. Während ein "Bit" entweder den Zustand "1" und "0" annimmt, kann ein "Qubit" beide Zustände gleichzeitig annehmen. Mit jedem weiteren Qubit verdoppelt sich die Rechenkapazität der Quantencomputer. Schon 300 Qubits könnten mehr Werte speichern, als der bekannte Teil des Universums Teilchen enthält.

Um Quantencomputer herrscht ein riesiger Hype - nicht erst seit Google vor knapp einem Jahr die "Quantum Supremacy" ausrief, die Überlegenheit eines Quantencomputers in einer bestimmten Aufgabe über herkömmliche Computer. Googles Quantenrechner Sycamore hatte in 200 Sekunden eine lange Reihe von Zufallszahlen erzeugt, für die der beste herkömmliche Computer 10 000 Jahre gebraucht hätte. Doch die neue Technik gilt noch als instabil, bisher findet sie kaum praktische Anwendungen. Bis Quantencomputer also tatsächlich zur Gefahr für Verschlüsselungstechnik im Internet werden, dürften noch einige Jahre vergehen. Bis dahin könnten viele Daten längst über Quantennetze übertragen werden.

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