Quantenrepeater: Schlüsseltechnologie für zukünftige Quantennetzwerke und sichere Kommunikation über große Distanzen

Übertragung von Quanteninformation über große Entfernungen: Stand und Perspektiven

Quantenrepeater stellen eine zentrale Technologie für zukünftige Quantennetzwerke dar. Sie ermöglichen die Verteilung von Quanteninformation und Verschränkung über weite Distanzen, was Anwendungen wie quantensichere Kommunikation mittels Quantenschlüsselverteilung, verteiltes Quantencomputing sowie großflächige Quantensensornetzwerke realisierbar macht. Im Rahmen des Schirmprojekts Quantenkommunikation Deutschland (SQuaD) wurde am Fraunhofer ISI eine Roadmap entwickelt, die den aktuellen Forschungsstand zusammenfasst, verschiedene technologische Konzepte vergleicht und potenzielle Entwicklungsschritte bis zu kommerziell nutzbaren Quantenrepeatern darlegt.

Quanteninformation als neue Ressource

Die technologische Entwicklung ist traditionell eng mit verfügbaren Ressourcen wie Materialien, Energie und Daten verbunden. Mit dem Aufkommen der Quantentechnologien rückt die Quanteninformation als neue Ressource in den Fokus. Diese umfasst die Speicherung, Verarbeitung und Übertragung von Informationen in Quantenzuständen, beispielsweise einzelner Photonen oder anderer Quantensysteme. In Kombination mit dem Phänomen der Verschränkung eröffnen sich dadurch langfristig neue Möglichkeiten für sichere Kommunikation, verteiltes Rechnen und präzise Sensornetzwerke. Quantenrepeater gelten als vielversprechender Ansatz, um Quanteninformation über große Entfernungen zugänglich zu machen.

Herausforderungen der Quantenkommunikation

Im Gegensatz zu klassischen Telekommunikationssignalen kann Quanteninformation aufgrund quantenmechanischer Prinzipien nicht beliebig kopiert oder verstärkt werden. Dies begrenzt gegenwärtige Quantenkommunikationssysteme hinsichtlich Reichweite und Skalierbarkeit. Quantenrepeater sollen diese Limitierungen überwinden, indem sie die Verteilung von Verschränkung über größere Distanzen ermöglichen. Somit bilden sie eine wesentliche Voraussetzung für leistungsfähige Quantennetzwerke der Zukunft.

Anwendungsfelder quantenbasierter Netzwerke

Die vom Fraunhofer ISI und der Universität des Saarlandes erarbeitete Studie „Quantum Repeaters – A Technology Roadmap“ basiert auf einer umfassenden Analyse wissenschaftlicher Publikationen, Experteninterviews sowie einem Workshop mit 22 Fachleuten aus Wissenschaft und Industrie. Ziel war es, den technologischen Entwicklungsstand zu erfassen, zentrale Herausforderungen zu identifizieren und mögliche Entwicklungspfade aufzuzeigen.

• Kurzfristig wird die Erweiterung der Reichweite quantensicherer Kommunikation durch Quantenschlüsselverteilung als wichtigste Anwendung angesehen.
• Langfristig könnten Quantenrepeater die Vernetzung räumlich getrennter Quantencomputer ermöglichen, was verteiltes Quantencomputing und die Entstehung eines „Quanteninternets“ unterstützt.
• Darüber hinaus eröffnen sich Potenziale für Quantensensornetzwerke, beispielsweise bei hochpräzisen Zeit- und Messsystemen.

Dr. Lukas Weymann vom Fraunhofer ISI beschreibt die Rolle von Quantenrepeatern als vergleichbar mit klassischen Repeatern in heutigen Telekommunikationsnetzen, jedoch basierend auf grundlegend anderen physikalischen Prinzipien. Sie ermöglichen den Zugang zu verteilter Verschränkung, einer neuen Ressource, deren Anwendungen und Auswirkungen auf die Technologielandschaft noch nicht vollständig absehbar sind.

Vielfalt der technologischen Ansätze

Die Roadmap zeigt eine dynamische weltweite Forschungslandschaft, die sich jedoch noch in einem frühen Entwicklungsstadium befindet. Mehrere Hardware-Plattformen werden intensiv untersucht, darunter:

• Farbzentren in Diamant
• Einzelne oder große Ensembles gefangener Atome und Ionen
• Seltenerd-Ionen
• Quantenpunkte

Keiner dieser Ansätze hat sich bisher als dominierende Plattform etabliert. Vielmehr weisen sie jeweils spezifische Vor- und Nachteile hinsichtlich Speicherzeiten, Effizienz, Skalierbarkeit und Integrationsfähigkeit auf. Die Studie empfiehlt daher, mehrere technologische Pfade parallel zu verfolgen. Auch hybride Systeme, die verschiedene Plattformen kombinieren, könnten zukünftig an Bedeutung gewinnen.

Ausblick und Herausforderungen bis zur Marktreife

Vor der breitflächigen Anwendung sind weiterhin erhebliche wissenschaftliche und technologische Hürden zu überwinden. Dazu zählen unter anderem:

• Verbesserung von Effizienz und Speicherzeiten
• Steigerung der Übertragungsraten
• Integration in bestehende Telekommunikationsinfrastrukturen
• Standardisierung und industrielle Skalierung

In naher Zukunft werden weitere Demonstrationen einzelner Komponenten und Netzwerkfunktionen erwartet. Bereits vor 2035 könnten erste Quantenrepeater vorgestellt werden, die Quanteninformation mit geringeren Verlusten übertragen als direkte Verbindungen – ein bedeutender Meilenstein auf dem Weg zu Quantennetzwerken. Die Vernetzung entfernter Quantencomputer sowie der Aufbau globaler Quantennetzwerke werden langfristig angestrebt.

Dr. Lukas Weymann betont, dass der Übergang von Labordemonstrationen zu kommerziell einsetzbaren Quantenrepeatern noch Zeit benötigt. Die jüngsten Fortschritte zeigen jedoch eine starke Dynamik im Forschungsfeld. Um das Potenzial voll auszuschöpfen, sind langfristige, vielfältige Forschungsaktivitäten sowie eine enge Zusammenarbeit von Wissenschaft, Industrie und Politik erforderlich. Die politische Unterstützung durch die Hightech Agenda Deutschland sowie die Etablierung eines nationalen und europäischen Quanten-Ökosystems aus Forschungseinrichtungen, Start-ups und Unternehmen bilden eine solide Grundlage für den Technologietransfer.

Kontakt und weiterführende Informationen

Medienkontakt:
Dr. Jacob Leidenberger & Anne-Catherine Jung
Leitung Presse und Kommunikation
Telefon: +49 721 6809-172
E-Mail: presse@isi.fraunhofer.de

Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr. Lukas Weymann
Wissenschaftlicher Mitarbeiter
Telefon: +49 721 6809-598
E-Mail: Lukas.Weymann@isi.fraunhofer.de

Originalpublikation:
Quantum Repeaters – A Technology Roadmap

Weiterführende Links:
https://www.squad-germany.de/ – Informationen zum Schirmprojekt Quantenkommunikation Deutschland (SQuaD)
https://www.isi.fraunhofer.de/de/presse/verteiler/anmeldung-presseverteiler.html – Anmeldung Presseverteiler Fraunhofer ISI

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