QuantenNetzwerken

QuantenNetzwerken sind Kommunikationsnetzwerke, die Quantenprozessoren oder Quantencomputer über Quantenkanäle verbinden. Ziel ist die Verteilung von verschränkten Zuständen und die Übertragung von Quanteninformationen zwischen Knoten, ohne dabei klassische Kopien zu erzeugen. Solche Netzwerke bilden die Grundlage für Quantenkommunikation, Quanten-Teleportation und das künftige Quanten-Internet.

Zentrale Konzepte umfassen Qubits, Verschränkung, Entanglement-Swapping und Quantum Memories. Da das Kopieren von Quantenzuständen verboten ist (No-Cloning-Theorem), stehen Entanglement-Verteilung und Teleportation im Mittelpunkt, unterstützt durch Vorrichtungen wie photonische Quantenquellen, Detektoren und Speichermedien. Repeater-Knoten verbessern Reichweite, indem sie entfernte Teilstücke verschränken und die Entanglement-Verteilung rekursiv erweitern.

Architektur und Funktionsweise: Quantenkanäle bilden die Verbindungswege (optische Fasern, Freiraum). An jedem Knoten erfolgen die Generierung von Verschränkung, Entanglement-Swapping, Speicherung in Quantum Memories und gegebenenfalls Fehlerkorrektur. Da Quanteninformationen nicht klonbar sind, arbeiten Netzwerke mit heralded Success-Events und registrieren erfolgreiche Übertragungen über klassische Kanäle, um Synchronisation und Fehlerschätzung sicherzustellen.

Anwendungen: Sichere Kommunikation durch Quanten-Schlüsselaustausch (QKD) mit verbesserten Sicherheitsgarantien, verteiltes Quantenrechnen über mehrere Knoten und vernetzte Sensorik, die Quantenmesstechnik nutzen.

Herausforderungen und Stand: Hauptprobleme sind hohe Verluste in Übertragung, begrenzte Kohärenzzeiten, Dekohärenz und der Aufwand für Fehlerkorrektur. No-Cloning schränkt Verstärkung ein. Interoperabilität mit klassischen Netzen, Standardisierung und Skalierbarkeit bleiben Forschungsfelder. Seit dem 2010er-Jahre wurden Entanglement-Verteilungen in Glasfaser und Freiraum demonstriert; Satellitenverbindungen zeigten globale Reichweiten; Quanten-Repeater befinden sich in der Entwicklung.

Ausblick: Langfristig zielt das QuantenNetzwerk darauf ab, ein sicheres globales Kommunikations- und Rechennetzwerk bereitzustellen, in dem Quanteninformationen über weite Distanzen zuverlässig verteilt werden. Fortschritte in Quanten-Speichern, Quellen, Fehlerkorrektur sowie Standardisierung und Praxis-Integration sind dafür entscheidend.