Brauchen wir ein Quanteninternet?

Quantentechnologien sind seit einigen Jahren ein sehr aktives Forschungsfeld – und das zurecht. Denn die Nutzung von Quanteneffekten für neue Rechenverfahren, präzisere Messtechnik oder maßgeschneiderte Quantenmaterialien bietet viel praktisches Anwendungspotenzial. Ganz anders sieht es dagegen beim sogenannten Quanteninternet aus: Inzwischen haben zwar etliche Länder in diese Technologie investiert, darunter die USA, europäische Nationen und China. Aber wenn sie mich fragen, handelt es sich hierbei letztlich um eine Lösung auf der Suche nach einem Problem.

Die Idee des Quanteninternets ist es – genau wie beim normalen Internet –, ein Netzwerk zu schaffen, mit dem sich Informationen per Glasfaserkabel oder Satellit rund um den Globus senden lassen. Im Unterschied zu gewöhnlichen Netzwerken sollen darüber aber keine normalen digitalen Informationen übermittelt werden. Stattdessen überträgt es den Zustand eines Quantensystems auf ein anderes. Zum Beispiel über Lichtwellen. Dazu muss ein solches Netzwerk fragile Quantenverbindungen aufrechterhalten, die als Verschränkungen bezeichnet werden.

Das klingt nicht nur kompliziert, sondern ist es auch. Und was soll das bringen? In den Medien liest man immer wieder, dass diese Verschränkung von Teilchen eine verzögerungsfreie Kommunikation mit Überlichtgeschwindigkeit ermöglichen würde. Dieser Mythos kommt von der weit verbreiteten, aber falschen Vorstellung, dass zwischen zwei verschränkten Teilchen eine Art magische physikalische Verbindung bestünde, bei der sich eine Manipulation des einen Teilchens unmittelbar auf das andere auswirken würde – unabhängig von deren Entfernung. Aber das ist einfach falsch: Ja, eine Verschränkung ist eine Verbindung zwischen zwei Quantenteilchen, und ja, sie kann unabhängig vom Aufenthaltsort der beiden Teilchen bestehen. Aber letztlich ist sie nur eine Korrelation zwischen den Eigenschaften der Teilchen und keine physikalische Verbindung.

Lassen Sie mich Ihnen dazu ein Beispiel geben: Wenn Sie einen Keks in zwei Hälften zerbrechen, dann passen deren Bruchkanten genau zusammen. Das heißt, sie sind miteinander korreliert: Sobald Sie die Bruchkante der einen Hälfte sehen, können Sie daraus unmittelbar auf das Aussehen der Bruchkante der anderen Hälfte schließen. Dabei ist es egal, ob die andere Hälfte direkt vor ihnen liegt, oder sich an einem ganz anderen Ort befindet. In der Physik wird das als nicht-lokale Korrelation bezeichnet.

Wenn sie nun eine Kekshälfte nehmen und umdrehen, was passiert dann mit der anderen Hälfte? Genau: Nichts. Und genauso verhält es sich auch bei der Verschränkung von zwei Quantenteilchen. Die Korrelation zwischen ihren Eigenschaften – etwa dem sogenannten Spin – wird lokal erzeugt, und bleibt anschließend bestehen, egal wo die Teilchen sich befinden. Aber wenn man danach irgendetwas mit einem der verschränkten Teilchen macht, hat das keinerlei Auswirkungen auf das andere. Total einleuchtend, oder? Trotzdem sorgt die vermeintliche „Fernwirkung“ der Verschränkung sogar bei Physikern immer wieder für Verwirrung.

Extrem sicher

Schneller als die Lichtgeschwindigkeit wird das Quanteninternet also sicher nicht sein. Aber wenn Sie mich fragen, ist das auch gar nicht der Grund, warum etliche Länder in die Technologie investieren. Ich glaube eher, dass es den Physikern irgendwie gelungen ist, die Geheimdienste der Länder davon zu überzeugen, dass sie ein Quanteninternet mit ultrasicheren Quantenschlüsseln brauchen, um die Sicherheit ihrer Geheimdaten zu gewährleisten.

Dieses Argument basiert zum Teil auf einem anderen Mythos, nämlich dass Quantencomputer schon bald in der Lage sein werden, jedes erdenkliche Datenverschlüsselungsverfahren zu knacken. Und tatsächlich stimmt es, dass einige der derzeit im Internet verwendeten Sicherheitsprotokolle mit leistungsstarken Quantencomputern geknackt werden können. Allerdings gibt es bereits heute Verschlüsselungstechnologien, die ganz ohne Quantenschlüssel auskommen und trotzdem von Quantencomputern nicht überwunden werden können. Tatsächlich werden einige Teile der weltweiten IT-Infrastruktur bereits auf diese sogenannte „Post-Quanten-Kryptographie“ umgestellt.

Aber es stimmt, dass das Senden von Informationen mit verschränkten Teilchen extrem sicher wäre. Denn sobald jemand versucht, die Nachricht auf ihrem Weg vom Sender zum Empfänger auszulesen, geht der ursprüngliche Inhalt der Nachricht unwiederbringlich verloren. Schuld daran ist eine Art Grundsatz der Quantenphysik: Quantenzustände verändern sich, wenn sie gemessen (also „gelesen“) werden. Dadurch bleibt dem Datendieb nicht nur der Inhalt der Nachricht verborgen, sondern der beabsichtigte Empfänger erfährt auch noch, dass jemand versucht hat, die Nachricht abzufangen.

Miserable Datenraten

In der Theorie klingt das erstmal nach einer tollen Sache. Doch es gibt einen Haken: Bereits kleine und oft unvermeidbare Störungen bei der Übertragung der Nachricht können im quantenphysikalischen Sinn eine „Messung“ darstellen und die Zustellung scheitern lassen. Klingt das für Sie nach einer praktikablen Methode der Datenübertragung? Für mich nicht. Um mit der Fragilität der Quantennachricht umzugehen, muss jede Übertragung daher sehr sorgfältig vorbereitet und jede Information vielfach an den Empfänger gesendet werden. Die Konsequenz ist, dass die Datenübertragungsrate des Quanteninternets miserabel ist und es auf absehbare Zeit auch bleiben wird.

Komplett nutzlos für praktische Anwendungen ist die Technologie aber nicht, wie ein kürzlich durchgeführtes Experiment zeigt. Dabei wurden Quantenschlüssel, die zur Verschlüsselung von Daten verwendet werden können, zwischen Frankfurt und der etwa 250 Kilometer entfernten Stadt Kehl geteilt. Die Übertragungsrate lag mit 100 Quantenbits pro Sekunde etwa sechs Größenordnungen unterhalb eines typischen DSL-Anschlusses, war aber ausreichend.

Quantenschlüssel wurden bereits zuvor und über größere Entfernungen hinweg gemeinsam genutzt. Das Bemerkenswerte an dem neuen Experiment ist jedoch, dass die Datenübertragung dabei über handelsübliche Glasfaserkabel bei Raumtemperatur erfolgte. Das zeigt, dass die Technologie außerhalb des Labors funktionieren kann. Auf lange Sicht stellt sich allerdings die Frage, ob sie den Aufwand und das Geld wert sein wird. Und wenn Sie mich fragen, ist die vom Quanteninternet gebotene Sicherheit für die allermeisten Zwecke übertrieben. Es handelt sich also eher um eine Nischenanwendung, von der ich nicht sicher bin, ob sie sich selbst für große Finanztransaktionen lohnt.

Aber was ist mit Regierungsdaten oder vertraulichen militärischen Informationen? Nun, die U.S. National Security Agency (NSA) hat ihrer Regierung aufgrund der hohen Kosten, der Anfälligkeit für Störungen und der fehlenden Notwendigkeit ausdrücklich von der Nutzung abgeraten. Und das Deutsches Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik sowie vergleichbare Behörden in Frankreich, Schweden und den Niederlanden beschreiben die Technologie in einem gemeinsamen Positionspapier ebenfalls als zu unzuverlässig für eine praktische Nutzung.

Die Verteilung von Quantenschlüsseln ist jedoch nicht das Einzige, was man mit einem Quanteninternet tun kann. Es könnte eines Tages auch genutzt werden, um Quanteninformationen zwischen Quantencomputern auszutauschen. Ich bezweifle allerdings stark, dass dies in der Praxis sinnvoll ist.

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