Zuverlässige Quantenkommunikation in lokalen Netzwerken
Neben digitalen Verbindungen nach außen besitzen Firmen, staatliche Einrichtungen, Rechenzentren, Institute und Universitäten auch interne Netzwerke mit begrenzter räumlicher Ausdehnung. Solche Local Area Networks (LANs) erstrecken sich nur über einzelne Räume oder Gebäude und verknüpfen meist eine Vielzahl unterschiedlicher Geräte wie Computer, Server, Laptops und Drucker. In Zukunft sind ähnliche lokale Netzwerke aus Quantenprozessoren, insbesondere Quantencomputern denkbar. Da die Funktionsweise solcher Geräte bereits auf Quantenzuständen basiert, kann Quantenkommunikation einerseits genutzt werden, um die in Geräten verteilten Quantenzustände zu vernetzen und gleichzeitig Abhörsicherheit zu gewährleisten. Quantenzustände lassen sich über kurze Distanzen besonders gut durch Glasfaserverbindungen übertragen, da die Fasern auf diesen Reichweiten sehr verlustarm sind. Im Projekt „Kurzreichweitige optische Quantenverbindungen“ (Short-range optical Quantum Connections – ShoQC) werden grundlegende Elemente für optische Quantenkommunikationsverbindungen erforscht. Es handelt sich dabei beispielsweise um eine Verbindung von Quantencomputern über eine begrenzte Distanz von ein paar Metern bis zu ein paar Dutzend Kilometern. Die Vision hier ist die Quantenversion eines LAN – ein sogenanntes Quanten-LAN.
Um ein solches Quanten-LAN in effizienter Form zu realisieren, plant ShoQC Vorteile zu nutzen, die sich bei kurzen Reichweiten für Punkt-zu-Punkt-Verbindungen ergeben. Hier können zum Beispiel zusätzliche Freiheitsgrade wie die Amplitude und die Phase von Licht genutzt werden. Dies ermöglicht es, Quantenzustände in neuartigen Verfahren mit sogenannten kontinuierlichen Variablen zu kodieren, die über die bisher im Quantencomputing üblichen Qubits hinausgehen. Trotz der geringen Verluste kann es auf kurzen Distanzen zu Übertragungsfehlern durch andere Fehlerquellen kommen. Da die meisten Anwendungen eine hohe Fehlertoleranz erfordern, braucht es neue Methoden der Quantenfehlerkorrektur, auf die die Kodierung von Quantenzuständen angepasst werden muss. Experimentell ist die Erzeugung und Manipulation der entsprechenden quantenoptischen Zustände jedoch sehr anspruchsvoll. Eine der elementaren Herausforderungen des ShoQC-Projekts ist daher das theoretische Design von Kodierungen, die experimentell realisierbar sind.
Die im Projekt geplante Kodierung von Quanteninformation ermöglicht neue, effizientere Formen der Quantenzustandsübertragung. Durch sie kann die Quantenkommunikation die Grundbausteine für ein zukünftiges Quanteninternet liefern. Dies soll im Projekt ShoQC bereits für die Elemente eines Quanten-LAN erprobt werden. Für ein robustes Quantennetzwerk wird eine maßgeschneiderte Quantenfehlerkorrektur notwendig sein, deren Entwicklung ebenfalls Teil des Projektes ist. ShoQC stellt einen ersten Schritt zu einer flächendeckenden Vernetzung von Quantengeräten in Europa dar.