Quanten‑Teleportation – Tatsache oder Fiktion?

Verwendung von Glasfasern für Quanten‑Teleportation

Global digitale Kommunikation beruht auf dem schnellen und effizienten Transfer von Daten mit Lichtgeschwindigkeit über ein komplexes Netzwerk von Glasfasern. Das ist für klassische Computer akzeptabel, die binäre Zeichenketten aus 0 und 1 verwenden.

Allerdings stellt sich, da das Quantencomputing immer näher daran rückt, ein allgemein genutztes Werkzeug für Verschlüsselung, wissenschaftliche Forschung und andere Anwendungen zu werden, die Frage, wie man Quantendaten von einem Quantencomputer zum anderen überträgt.

Lange Zeit galt dies als nahezu unmöglich. Jeder Quantencomputer war dazu bestimmt, isoliert von den anderen zu arbeiten, was ihr Potenzial einschränkt.

Dies wird für die Technologiebranche schnell zu einem wichtigen Problem, insbesondere da neue skalierbare Designs von Quantenchips wurden gerade vorgestellt.

Dies ist also ein wichtiger Meilenstein, den Forscher der Northwestern University, der Ciena Corporation und von NuCrypt LCC entdeckt haben: Der Quantenzustand kann in einer Glasfaser zusammen mit einem „normalen“ Datenstrom erhalten und übertragen werden.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Optica, betitelt “Quanten‑Teleportation koexistiert mit klassischer Kommunikation in Glasfaser¹”.

Quanten‑Teleportation

Obwohl es wie ein fantasievolles Konzept aus einem Science‑Fiction‑Film klingt, ist die Quanten‑Teleportation tatsächlich ein reales Phänomen, das seit Jahrzehnten untersucht wird.

Dies geschieht, wenn zwei verschiedene Teilchen „gepaart/verbunden“ werden, ein Phänomen, das als Quantenverschränkung bezeichnet wird.

In diesem Fall, wenn zwei Teilchen verbunden sind, tauschen sie Informationen über große Entfernungen aus – ohne sie physisch zu transportieren. In manchen Fällen könnte es sogar möglich sein, dass der Informationsaustausch schneller als die Lichtgeschwindigkeit erfolgt, was theoretisch unmöglich ist.

Wie es funktioniert und was es für den grundlegenden Aspekt unserer Realität bedeutet, wird von Quantenphysikern nach wie vor heftig diskutiert. Wir wissen jedoch, dass dies ein sehr reales und messbares Quanteneffekt ist, der perfekt gesicherte und sofortige Kommunikation ermöglichen könnte.

Radikal unterschiedliche Kommunikation

Eine Nadel im bewegenden Heuhaufen

Bis jetzt wurde angenommen, dass kein Quantenzustand durch Glasfaser übertragen werden kann, da jedes einzelne verschränkte Photon von den anderen Milliarden, die mit ihm reisen, „eingesogen“ würde und seinen einzigartigen Quantenzustand verliert.

„Durch Durchführung einer destruktiven Messung an zwei Photonen – eines, das einen Quantenzustand trägt, und eines, das mit einem anderen Photon verschränkt ist – wird der Quantenzustand auf das verbleibende Photon übertragen, das sehr weit entfernt sein kann.

Das Photon selbst muss nicht über lange Strecken gesendet werden, aber sein Zustand wird dennoch auf das entfernte Photon codiert. Teleportation ermöglicht den Austausch von Informationen über große Entfernungen, ohne dass die Information selbst diese Distanz zurücklegen muss.

“

Jordan Thomas – Ph.D. an der Northwestern University.

Die entscheidende Erkenntnis war zu prüfen, ob es nicht eine bestimmte Bedingung in der Glasfaser gibt, die die Quantenverschränkung nicht stört.

Nachdem sie eingehende Studien darüber durchgeführt hatten, wie Licht in Glasfaserkabeln streut, fanden die Forscher eine weniger stark ausgelastete Wellenlänge, um ihre Photonen zu platzieren, die 1290‑nm‑Quantenkanäle. Anschließend fügten sie spezielle Filter hinzu, um das Rauschen des regulären Internetverkehrs zu reduzieren.

Natürlich klingt das zwar einfach, aber das eigentliche experimentelle Setup war alles andere als simpel, wobei das veröffentlichte wissenschaftliche Papier uns einen Einblick gibt, wie komplex das gesamte Experiment tatsächlich war:

Quelle: Optica

Neue Telekommunikation

Da Glasfasern Photonen von Punkt A nach Punkt B übertragen, war bereits bekannt, dass sie einen Quantenzustand tragen können. Aber dies ist das erste Mal, dass gezeigt wurde, dass dies gleichzeitig mit der Übertragung anderer nicht‑quantenter Daten geschehen kann.

Das bedeutet, dass ein völlig anderer Informationsübertragungsprozess stattfindet, bei dem jeweils ein einzelnes Photon verwendet wird, anstatt der üblichen Millionen von Photonen.

„In der optischen Kommunikation werden alle Signale in Licht umgewandelt. Während konventionelle Signale für klassische Kommunikation typischerweise aus Millionen von Lichtteilchen bestehen, verwendet die Quanteninformation einzelne Photonen.“

Pr Prem Kumar – Direktor des Center for Photonic Communication and Computing an der Northwestern University.

Vom ersten Prototyp zu größeren Ambitionen

Mehr Glasfaser

Der erste Test wurde an einer 30 km langen (18,6 Meilen) Glasfaser durchgeführt, durch die Hochgeschwindigkeits‑Internetverkehr floss.

Der nächste Schritt für die Forscher wird sein, mit deutlich längeren Distanzen zu experimentieren, um zu sehen, wie weit sie diese neue Methode der Fernkommunikation vorantreiben können.

Bisher wurde dies nur mit Labor‑Glasfasern durchgeführt. Ein weiterer Testlauf wird mit realen, im Boden verlegten Glasfaserkabeln experimentieren und prüfen, wie gut sie mit dem bereits bestehenden globalen Netzwerk von Internet‑Glasfasern funktionieren.

Ausweitung von Quantenanwendungen

Ein weiterer Teil der laufenden Untersuchung wird darin bestehen, zwei Paare verschränkter Photonen zu verwenden, anstatt nur eines. Damit könnte geprüft werden, was bei einem weiteren Quantenphänomen, dem sogenannten Entanglement Swapping, geschieht.

Entanglement Swapping ist ein Protokoll, um Quantenverschränkung von einem Teilchenpaar auf ein anderes zu übertragen, selbst wenn das zweite Teilchenpaar nie miteinander interagiert hat.

Dies ist ein wichtiges zusätzliches Werkzeug für potenzielle zukünftige Quanten‑Telekommunikation, da es zu verteilten Quantenanwendungen wie Quanten‑Netzwerken führen würde. Diese Netzwerke könnten das sichere Übertragen von Quanteninformationen über lange Strecken unterstützen.

„Quanten‑Teleportation hat die Fähigkeit, eine sichere Quanten‑Konnektivität zwischen geografisch entfernten Knoten bereitzustellen. Aber viele Menschen haben lange angenommen, dass niemand spezialisierte Infrastruktur zum Senden von Lichtteilchen aufbauen würde.

Wenn wir die Wellenlängen richtig wählen, müssen wir keine neue Infrastruktur bauen. Klassische Kommunikation und Quantenkommunikation können koexistieren.

“

Pr Prem Kumar – Direktor des Center for Photonic Communication and Computing an der Northwestern University.

Dies wäre ein großer Schritt in der quantenbasierten Verschlüsselung, da durch die Nutzung von ausgetauschten Verschränkungen zwischen Teilchenpaaren sichere Verschlüsselungsschlüssel erzeugt werden können, die gegen Abhören geschützt sind.

Ein weiterer Effekt wäre die Ermöglichung einer ultra‑langen Distanzübertragung von Quantenzuständen mittels einer Methode, die als Quanten‑Repeater bezeichnet wird. Durch regelmäßiges Durchführen von Entanglement Swapping könnte der Quantenzustand „auffrischen“ und Datenverlust über lange Distanzen vermeiden.

Investieren in Quantencomputing

Quantencomputing ist noch ein aufstrebendes Feld, aber Investoren können bereits über Unternehmen, die es entwickeln, darauf zugreifen.

Sie können in quantenbezogene Unternehmen über viele Broker investieren, und Sie finden hier, auf securities.io, unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien, dem Vereinigten Königreich, sowie viele andere Länder.

Wenn Sie nicht daran interessiert sind, einzelne Quantencomputing‑Unternehmen auszuwählen, können Sie auch Quantencomputing‑ETFs wie Defiance Quantum ETF (QTUM) in Betracht ziehen, die eine breiter diversifizierte Beteiligung ermöglichen, um vom Quantencomputing‑Sektor zu profitieren.

Sie können mehr über Quantencomputing in „Der aktuelle Stand des Quantencomputings“ und die größten Unternehmen im Sektor in „5 beste Quantencomputing‑Unternehmen“ & „Top‑10 Nicht‑Silizium‑Computing‑Unternehmen“ erfahren.

Quantencomputing‑Unternehmen

1. Alphabet Inc.

Google ist im Quantencomputing sehr aktiv, hauptsächlich über sein Google Quantum AI‑Labor und den Quantum AI‑Campus in Santa Barbara.

Der Quantencomputer von Google schrieb 2019 Geschichte, als er behauptete, mit seiner Sycamore‑Maschine die „Quanten‑Suprematie“ erreicht zu haben. Die Maschine führte eine Berechnung in 200 Sekunden aus, die ein herkömmlicher Supercomputer 10.000 Jahre gekostet hätte.

Dies wird nun von der Leistung seines neuesten Chips, genannt Willow übertroffen. Dies ist der allererste Quantencomputing‑Chip mit einer so niedrigen Fehlerrate, dass je mehr Qubits man hinzufügt, desto weniger Fehler auftreten. Er ist damit das allererste skalierbare Quanten‑Chip‑Design.

Vielleicht ist der größte Beitrag von Google jedoch die Software, ein Bereich, in dem das Unternehmen eine beeindruckende Erfolgsbilanz vorweisen kann, tatsächlich besser als in der Hardware (Suche, G‑Suite, Android usw.).

Bereits stellt Googles Quantum AI eine Suite von Software zur Verfügung, die Wissenschaftlern bei der Entwicklung von Quantenalgorithmen hilft.

Es setzt sich auch offen dafür ein, dass „Forscher, Ingenieure und Entwickler sich uns auf dieser Reise anschließen, indem sie unsere Open‑Source‑Software und Bildungsressourcen prüfen, einschließlich unseres neuen Kurses auf Coursera, wo Entwickler die Grundlagen der Quanten‑Fehlerkorrektur erlernen und uns dabei helfen können, Algorithmen zu erstellen, die die Probleme der Zukunft lösen.“

Dank dieses offenen Ansatzes führt Google nun sowohl im Hardware‑ als auch im Cloud‑Bereich. Google könnte eines der Unternehmen sein, die Standards für Quanten‑Computing‑Software und Quanten‑Programmierung setzen, was ihm eine privilegierte Position gibt, die zukünftige Entwicklung des Feldes zu lenken.

Unterdessen könnten KI‑Lösungen, einschließlich Waymos selbstfahrendem Auto, zum neuen Umsatztreiber für Alphabet werden, das nach wie vor eine massiv dominante Position in den Bereichen Suche und Werbung innehat.

Sie können mehr über Googles nicht‑quantenspezifische Aktivitäten, insbesondere Werbung und KI, in unserem speziellen Bericht vom Dezember 2024 erfahren.

2. Ciena Corporation

Ein Partner ist das Forschungsprojekt, das die Quanten‑Teleportation in Glasfasern demonstrierte, Ciena Corporation ist ein weltweit führendes Unternehmen für optische und Routing‑Systeme, Dienstleistungen und Automatisierungssoftware.

Ciena ist bei weitem das weltweit größte Unternehmen außerhalb Chinas im Optik‑Markt und kontrolliert mehr als 25 % des Marktes. Es ist in 70 Ländern präsent.

Quelle: Ciena Corporation

Das Unternehmen sieht die Nachfrage nach Bandbreite in den nächsten vier Jahren explosionsartig steigen, getrieben durch die Nachfrage aus KI‑Anwendungen.

Quelle: Ciena Corporation

aufgrund vieler KI‑Anwendungen die neuen lokalisierten Daten zentren, aufgrund von Gesetzen über Datenschutz und grenzüberschreitenden Datenfluss sowie dem Aufkommen von dezentralen Rechenzentren, die mehr optische Netzwerk‑Kapazität.

Quelle: Ciena Corporation

Wenn bestehende Glasfasernetzwerke sich als für die Übertragung von Quantendaten nutzbar erweisen, könnte dies nachweisen einen neuen boomenden Sektor für die optische Netzwerkindustrie darstellen. Das würde die Zukunft des Sektors noch vielversprechender machen, da Quantencomputing ihm nach der bereits explosionsartigen Nachfrage aus KI‑Anwendungen einen massiven Schub geben könnte.

Studienreferenz:

^{1. Thomas, J. M., Yeh, F. I., Chen, J. H., Mambretti, J. J., Kohlert, S. J., Kanter, G. S., & Kumar, P. (2024). Quanten‑Teleportation koexistiert mit klassischer Kommunikation in Glasfaser. Optica, 11(12), 1700–1707. https://doi.org/10.1364/OPTICA.11.001700}