Das  Experiment zeigte einen wichtigen Durchbruch hinsichtlich einer sicheren Quantenkommunikation zwischen mehreren Teilnehmern.
Foto: ÖAW/Klaus Pichler

Bristol/WashingtonBritische Forscher haben in Bristol ein abhörsicheres Quantenkommunikationsnetzwerk für acht Teilnehmer aufgebaut. Es handele sich um das bislang größte Quantennetzwerk ohne Relaisstationen, betont das Fachblatt „Science Advances“, in dem das Team um Siddarth Joshi von der Universität Bristol seine Arbeit vorstellt. Die Wissenschaftler konnten dabei die Architektur des Netzwerks drastisch vereinfachen, wodurch eine praktische Anwendung in greifbare Nähe rücke. „Unsere Lösung ist skalierbar, vergleichsweise günstig und vor allem unangreifbar“, erläutert Joshi in einer Mitteilung seiner Universität.

Die abhörsichere Quantenkommunikation beruht auf dem Phänomen der Verschränkung. Dazu werden jeweils zwei Lichtteilchen (Photonen) so miteinander in Verbindung gebracht, dass sie einen gemeinsamen quantenphysikalischen Zustand bilden. In diesem verschränkten Zustand lassen sich die beiden Lichtteilchen räumlich trennen, ohne dass der gemeinsame Zustand zerstört wird. Erst wenn eines der Lichtteilchen manipuliert wird, beispielsweise beim Absender, nimmt es einen eigenen Zustand an. Im selben Moment nimmt das entfernte Lichtteilchen, beispielsweise beim Empfänger, einen korrespondierenden Zustand an. Albert Einstein nannte dies „spukhafte Fernwirkung“.

Aufwand und Kosten in der Praxis bisher enorm hoch

Sobald ein Lauscher das Netzwerk abhört, wird er sofort bemerkt, weil er den verschränkten Zustand aufhebt, der sich dann nicht wieder herstellen lässt. Diese Technik ist bereits mehrfach und auch über sehr große Distanzen eingesetzt worden, unter anderem für die Kommunikation zwischen Bankenzentren in China und bei Wahlen in der Schweiz. Allerdings lassen sich damit nur jeweils zwei Stationen verbinden. Jede neue Verbindung benötigt mit der herkömmlichen Technik eine eigene Installation. Damit steigen Aufwand und Kosten in der Praxis rasant an. Relaisstationen zur Einbindung mehrerer Teilnehmer stellen dabei ein Sicherheitsrisiko dar.

Das Team aus Bristol hat nun eine andere Lösung gefunden, mit der jeder Teilnehmer nur einen einzigen Empfänger benötigt, um sich direkt mit mehreren anderen Teilnehmern zu verbinden. Die Forscher setzen dazu Lichtteilchen verschiedener Farbe gleichzeitig ein. Mit diesem sogenannten Multiplexing konnten sie sieben verschränkte Photonenpaare gleichzeitig herstellen und vom Sender je nach Farbe an sieben Empfänger verteilen. Für einen Praxistest nutzten die Wissenschaftler das existierende Glasfasernetz rund um die Universität Bristol und in den angrenzenden Stadtteilen. So konnten sie zeigen, dass die Technik unter Praxisbedingungen über bis zu 17 Kilometer Entfernung funktioniert – ausreichend für ein abhörsicheres Stadtnetzwerk.

Simulationen zeigen, dass sich diese Netzwerkarchitektur problemlos auf 32 Nutzer erweitern lässt. Die Forscher sind überzeugt, dass sich die Technik mit weiterer Entwicklung und Optimierung in nicht allzu ferner Zukunft auch für Millionen Nutzer in der Praxis einsetzen lassen wird. Das Verfahren sei dabei nicht nur praktikabler, sondern auch günstiger: Die Installation in Bristol hat den Angaben zufolge nur einige Monate gedauert und weniger als 340.000 Euro gekostet. Bisherige Quantennetzwerke hätten dagegen Jahre benötigt und Millionen gekostet, erläutert die Universität Bristol. Die finanziellen Vorteile werden mit steigender Nutzerzahl schnell deutlich: Während ein herkömmliches Quantennetzwerk für 100 Nutzer in etwa fünf Milliarden Euro kosten dürfte, schlage die Multiplex-Technik mit nur etwa fünf Millionen Euro zu Buche, schätzt Joschi.

„Bislang hat die Installation eines Quantennetzwerks enorme Kosten, Ressourcen und Zeit verschlungen und dabei oft die eigene Sicherheit beeinträchtigt, was den eigentlichen Zweck zunichte macht“, erläutert der Forscher. Das könne die Multiplex-Technik ändern. „Dies stellt einen massiven Durchbruch dar und macht das Quanten-Internet zu einem viel realistischeren Vorhaben.“ (fwt)