Zukunft der Quantenkommunikation: Einzelphoton‑Teleportation erklärt

Was ist Quanten‑Teleportation und wie funktioniert sie?

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

Dies geschieht, wenn zwei verschiedene Teilchen „gepaart/verbunden“ werden, etwas, das Quantenverschränkung genannt wird.

In diesem Fall, wenn zwei Teilchen verbunden sind, tauschen sie Informationen über große Entfernungen aus, ohne sie physisch zu transportieren, unabhängig von der Distanz zwischen ihnen. In manchen Fällen scheint es sogar, als ob der Informationsaustausch schneller als das Licht geschieht, was theoretisch unmöglich ist.

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

Der aktuelle Stand der Quanten‑Teleportationstechnologie

Durchbrüche, die praktischen Quantendatentransfer ermöglichen

In letzter Zeit wurden Fortschritte erzielt, um Quantenverschränkung und -teleportation zu praktischen Methoden zum Datentransfer zu nutzen.

Ein Fortschritt war die Entdeckung, dass ein gewöhnliches optisches Fasernetzwerk für die Aufgabe verwendet werden kann, selbst wenn es mit normalem Internetverkehr gemischt wird. Dies eröffnet die Möglichkeit einer praktischen Quantenkommunikation, ohne ein dediziertes paralleles Netzwerk zum derzeit genutzten normalen Netzwerk bauen zu müssen.

Ein weiterer Fortschritt ist die Möglichkeit, Quantencomputer zu vernetzen. Oxford‑Forscher nutzten optische Fasern, um Qubits zu verbinden und sie zu verschränken, wobei Photonen (Lichtteilchen) verwendet wurden. Dies könnte den Weg für modulare Quantencomputer ebnen, bei denen jede Untereinheit miteinander verbunden ist.

Zuletzt QNodeOS, ein Betriebssystem für Quantenberechnungen, würde die Softwarebasis für den Betrieb eines solchen Netzwerks von Quantencomputern bereitstellen.

Einschränkungen und Herausforderungen der Quanten‑Teleportation

Die meisten derzeit betrachteten Quanten‑Teleportationsgeräte sind vom „linearen“ Typ, bei dem die Photonen direkt von Punkt A nach Punkt B übertragen werden.

Dies ist oft problematisch, da diese Art der Photonübertragung inhärent Rauschen zum Signal hinzufügt, was die Telekommunikation zum Scheitern bringen oder zumindest weniger effizient machen kann.

Ein weiteres Problem ist, dass die meisten Photonquellen kein einzelnes Photon‑Paar erzeugen, was die Bestimmung der Verschränkung erschwert.

Insbesondere ist es üblich, dass Verschränkungsquellen mehr als ein Photon‑Paar gleichzeitig erzeugen, wodurch unklar bleibt, ob die beiden für die Teleportation verwendeten tatsächlich verschränkt sind.

Wie nichtlineare Optik die Quantenkommunikation transformieren könnte

Ein Forscherteam der University of Illinois könnte eine neue Photonquelle entwickelt haben, die die Leistung von auf Quanten‑Teleportation basierenden Kommunikationssystemen radikal verbessert.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in Physical Review Letters¹, unter dem Titel “Treue Quanten‑Teleportation mittels eines nanophotonischen nichtlinearen Bell‑Zustands‑Analyzers”.

Die Kernidee ist, dass diese Technik das Problem der Mehrfachphotonemission reduziert und die Methode dank der zugrunde liegenden Prinzipien der nichtlinearen Optik zuverlässiger macht.

Verständnis der nichtlinearen Optik in der Quantentechnologie

Lineare Optik ist die reguläre Optikwissenschaft, die in der Schule gelehrt wird, bei der das Licht beispielsweise direkt mit einem Prisma interagiert.

In der nichtlinearen Optik hängt die Reaktion des Mediums, durch das das Licht hindurchgeht, von Wellenlänge, Intensität, Richtung und Polarisation des Lichts ab.

„Multiphoton‑Rauschen tritt in allen realistischen Verschränkungsquellen auf und ist ein ernstes Problem für Quantennetzwerke.

Der Reiz der nichtlinearen Optik liegt darin, dass sie den Effekt des Multiphoton‑Rauschens durch die zugrunde liegende Physik mildern kann, wodurch die Arbeit mit unvollkommenen Verschränkungsquellen möglich wird.

Elizabeth Goldschmidt – Professorin für Physik an der Universität Illinois

Nichtlineare optische Komponenten bewirken, dass Photonen unterschiedlicher Frequenzen kombiniert werden und neue Photonen mit neuen Frequenzen entstehen. In diesem speziellen Fall wurde die „Summenfrequenz‑Generierung“ (SFG) verwendet.

Quelle: EKSPLA

Photonenfusion mittels Summenfrequenz‑Generierung (SFG)

Dank der während SFG stattfindenden Fusion von Photonen können nur die Frequenzen dieser spezifischen Photonen verwendet werden, was das Rauschen durch mehrere Photonen, das bei linearer Optik auftreten würde, stark reduziert.

Quelle: SciTechDaily

Dies ist keine neue Idee, aber das Problem war bisher, dass die Durchführung von SFG so schwierig war, dass nie genügend Photonen vorhanden waren, um ein praktisches Mittel zum Informationstransfer zu sein.

„Forscher wissen seit langem davon, aber es wurde nicht vollständig erforscht wegen der geringen Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen SFG.

In der Vergangenheit war das beste Ergebnis 1 zu 100 Millionen. Unser Erfolg besteht darin, einen Faktor von 10.000 Verbesserung der Umwandlungseffizienz zu erreichen, also 1 zu 10.000 mit einer nanophotonischen Plattform.

Kejie Fang – Außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Computertechnik

Neue Materialien, die nichtlineare Quantenoptik machbar machen

Dieser 10.000‑fache Effizienzschub macht nichtlineare Optik plötzlich zu einer praktikablen Option, um die Photonen zu erzeugen, die zur Datenübertragung über die Messung ihrer Verschränkung verwendet werden.

Es wurde dank eines von den Forschern entwickelten Indium‑Gallium‑Phosphor‑Materials erreicht.

„Unser nichtlineares System überträgt Quanteninformationen mit 94 % Treue, verglichen mit dem theoretischen Limit von 33 % bei Systemen, die lineare optische Komponenten verwenden,“

Kejie Fang – Außerordentlicher Professor für Elektrotechnik und Computertechnik

Was kommt als Nächstes für Quanten‑Teleportation und Vernetzung?

Dies ist bislang ein sehr theoretischer Fortschritt, da er die Art und Weise, wie Forscher zukünftig Quantenkommunikationssysteme bauen müssen, grundlegend verändert, da derzeit alle Quanten‑Netzwerkprotokolle (einschließlich Quanten‑Teleportation und Verschränkung‑Swapping) ein lineares‑optisches Design verwenden.

Kombiniert mit den Fortschritten beim Transfer verschränkter Photonen in regulären optischen Fasernetzwerken könnte dies die Zuverlässigkeit und Effizienz dieser Telekommunikationsmethode radikal verändern und vernetzte Quantencomputer viel näher an die zuvor als unmöglich geltende Realität bringen.

Investieren in Quantencomputing mit gefangenen Ionen

Da diese Fortschritte in der Quantenkommunikation zunehmend realisierbar werden, positionieren sich Unternehmen wie IonQ (IONQ ) darauf, die Technologie zu kommerzialisieren.

IonQ ist ein Unternehmen für Quantencomputing, das die gefangene‑Ion‑Technologie nutzt und von Pionierwissenschaftlern des Fachgebiets der University of Maryland und der Duke University gegründet wurde. Es wurde 2021 an der NYSE notiert.

IonQ‑Quantencomputing‑Plattformen können Ergebnisse mit 99,9 % Treue erzeugen. Derzeit verwendet es eine Kette aus 64 Barium‑Ionen, die einen 36‑algorithmischen Qubit (AQ) erzeugt. Die Kettenorganisation ermöglicht ein deutlich schnelleres Rechnen als andere gefangene‑Ion‑Designs, ohne die Treue zu verlieren.

Quelle: IonQ

IonQ erwarb Qubitekk im Januar 2025, und fügte dem Unternehmen das Team und 118 Patente von Qubitekk hinzu.

Quanten­netzwerke sollten hochsichere Kommunikation ermöglichen und letztlich verteiltes Quanten‑Computing erlauben. Angesichts der rasanten Entwicklung des Feldes könnten Expertise und IPs zu diesem Thema für die Zukunft von IonQ entscheidend sein.

IonQ entwickelt zudem eine Partnerschaft mit NKT Photonics (NKT.CO), um zukünftige, für Rechenzentren geeignete Quantencomputer zu entwickeln.

Es arbeitet außerdem mit Imec an photonischen integrierten Schaltkreisen und chip‑skaliger Ionenfallen‑Technologie zusammen, um die Anzahl der Qubits, die Systemgröße und die Kosten des Unternehmens zu skalieren.

Anstatt ein eigenes SDK (Software Development Kit) zu entwickeln, unterstützt das Unternehmen gleichzeitig alle wichtigen SDKs und arbeitet mit vielen führenden Unternehmen zusammen, um neue Anwendungen für Quantencomputing zu entwickeln.

Quelle: IonQ

Zusammen mit seinem Konkurrenten Quantinuum, Teil von Honeywell (HON ), ist IonQ näher dran, kommerzielle Quantencomputer zu entwickeln, mit Fokus auf hochtreue, niedrig‑Qubit‑Anzahl‑Gefangen‑Ion‑Systeme.

IonQ ist die dem reinen Quanten‑Computing‑Aktienmarkt am nächste für Investoren, die weniger an den Aktivitäten anderer Marktführer wie Google, Intel, IBM oder Honeywell interessiert sind.

Der frühe Erfolg hat dem Unternehmen geholfen, ein starkes Netzwerk von Partnerschaften mit anderen Quanten‑Computing‑Innovatoren aufzubauen, um diese Technologie voranzutreiben, mit einem jüngsten Fokus auf vernetzte Quantencomputer.

Da die Quanten‑Verschränkungs‑Telekommunikation zunehmend zuverlässig wird, könnte die Kombination vieler hochzuverlässiger, gefangener‑Ion‑Quantencomputer eine solide Option für die erste kommerzielle Anwendung dieser Technologie sein.

IonQ‑Aktiennachrichten und neueste Entwicklungen

Studienreferenz:

^{1. Joshua Akin, Yunlei Zhao, Paul G. Kwiat, Elizabeth A. Goldschmidt, and Kejie Fang.(2025) Faithful Quantum Teleportation via a Nanophotonic Nonlinear Bell State Analyzer. Physical Review Letters134, 160802 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.160802}