Was ist das Quanteninternet und wie funktioniert es?

Ein Netzwerk, das auf Quantenphysik basiert

Das Internet, das Sie täglich nutzen, bewegt Informationen als Ströme klassischer Bits – Einsen und Nullen, die durch Glasfaserkabel und Radiowellen rasen. Das Quanteninternet würde etwas grundlegend anderes tun: Es würde Informationen übertragen, die in Quantenbits (Qubits) codiert sind, und die seltsamen Regeln der Quantenmechanik ausnutzen, um ein Sicherheits- und Leistungsniveau zu erreichen, das in heutigen Netzwerken physikalisch unmöglich ist.

Anders als in Science-Fiction-Darstellungen von Teleportation bewegt sich nichts Physisches. Stattdessen überträgt das Quanteninternet Quantenzustände – die empfindlichen Informationen, die in Teilchen wie Photonen oder Elektronen codiert sind – zwischen entfernten Punkten. Die Prinzipien, die dies ermöglichen, sind Quantenverschränkung und Quantenteleportation.

Das Fundament: Quantenverschränkung

Quantenverschränkung ist das Phänomen im Herzen des Quanteninternets. Wenn zwei Teilchen verschränkt sind, werden ihre Quantenzustände miteinander verbunden: Die Messung eines Teilchens bestimmt sofort den korrelierten Zustand seines Partners, egal wie weit sie voneinander entfernt sind. Albert Einstein nannte dies bekanntlich „spukhafte Fernwirkung“, und es wurde durch jahrzehntelange Experimente bestätigt.

Verschränkung ermöglicht keine Überlichtgeschwindigkeit-Kommunikation – klassische Informationen müssen weiterhin auf konventionelle Weise übertragen werden, um Ergebnisse zu interpretieren. Aber sie schafft eine gemeinsame, abhörsichere Verbindung zwischen zwei Parteien. Da Quantenzustände irreversibel zusammenbrechen, wenn sie gemessen oder abgefangen werden, hinterlässt jeder Eingriff einen erkennbaren Fingerabdruck. Diese Eigenschaft macht Quantennetzwerke von Natur aus manipulationssicher.

Wie Quantenteleportation funktioniert

Quantenteleportation ist der Mechanismus, durch den ein Quantenzustand von einem Ort zum anderen übertragen wird, ohne das Teilchen, das ihn trägt, physisch zu senden. Der Prozess erfordert drei Dinge: ein verschränktes Teilchenpaar, das zwischen Sender und Empfänger geteilt wird, das ursprüngliche zu übertragende Qubit und einen konventionellen (klassischen) Kommunikationskanal, um ein kleines Stück zusätzlicher Daten zu senden.

Der Sender führt eine Messung durch, die das ursprüngliche Qubit mit seiner Hälfte des verschränkten Paares verschränkt, und überträgt dann das klassische Ergebnis an den Empfänger. Der Empfänger verwendet dieses Ergebnis, um eine Korrektur auf sein verschränktes Teilchen anzuwenden und so den ursprünglichen Quantenzustand perfekt zu rekonstruieren. Das ursprüngliche Qubit wird dabei zerstört – es werden keine Quanteninformationen dupliziert, was als No-Cloning-Theorem bekannt ist.

Das Distanzproblem: Quantenrepeater

Gewöhnliche Glasfasernetze verwenden elektronische Verstärker, um Signale über lange Strecken zu verstärken. Dies ist in einem Quantennetzwerk unmöglich: Die Verstärkung eines Qubits würde dessen Kopieren erfordern, was die Quantenmechanik verbietet. Photonen, die Quantenzustände tragen, werden einfach nach etwa 100 Kilometern vom Glasfaser absorbiert.

Die Lösung ist der Quantenrepeater – ein spezialisierter Knoten, der die Verschränkung über lange Distanzen ausdehnt, ohne jemals das Qubit zu kopieren. Repeater funktionieren, indem sie eine lange Strecke in kürzere Segmente aufteilen, die Verschränkung über jedes Segment unabhängig voneinander herstellen und dann einen Prozess namens Verschränkungsaustausch verwenden, um diese Segmente zu einer einzigen durchgehenden verschränkten Verbindung zusammenzuführen. Laut dem Quantum-Technologie-Team von Amazon Web Services gilt der Bau zuverlässiger Quantenrepeater weithin als die zentrale technische Herausforderung, die zwischen den heutigen Experimenten und einem funktionierenden globalen Quanteninternet steht.

Jüngste Meilensteine

Die Fortschritte haben sich in den letzten Jahren beschleunigt. Ende 2024 demonstrierten Ingenieure der Northwestern University Quantenteleportation über ein 30 Kilometer langes Glasfaserkabel, das gleichzeitig 400 Gigabit pro Sekunde klassischen Internetverkehr übertrug – was beweist, dass Quanten- und konventionelle Daten in derselben Infrastruktur koexistieren können.

Anfang 2025 aktivierten Forscher des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik in Deutschland und von TNO in Delft den ersten betriebsbereiten Quanteninternet-Knoten in Aachen und etablierten regionale Quantenverbindungen zwischen Aachen, Jülich und Bonn. Unabhängig davon erreichten Teams der Universitäten Paderborn und Stuttgart die erste Quantenteleportation zwischen zwei verschiedenen Quantenpunkten – ein entscheidender Schritt zum Aufbau skalierbarer Repeater-Netzwerke mit Halbleiterbauelementen.

Was ein Quanteninternet ermöglichen würde

Die unmittelbarste Anwendung ist die Quantenschlüsselverteilung (QKD): die Erzeugung von Verschlüsselungsschlüsseln, die mathematisch unmöglich abzufangen sind, ohne entdeckt zu werden, da jedes Abhören die Quantenzustände stört und Alarm auslöst. Regierungen, Banken und Betreiber kritischer Infrastrukturen sind die eifrigsten frühen Anwender.

Über die Sicherheit hinaus würde ein Quanteninternet entfernte Quantencomputer zu einem Kollektiv verbinden, das weit über das hinausgeht, was eine einzelne Maschine leisten könnte. Es würde auch eine ultrapräzise Quantensensorik ermöglichen – Netzwerke aus verschränkten Atomuhren oder Gravitationssensoren könnten Signale erkennen, die für jedes klassische Instrument zu schwach sind.

Wie weit ist es noch?

Forscher beschreiben die Entwicklung des Quanteninternets in Phasen, von einfachen QKD-Verbindungen (die bereits kommerziell über kurze Distanzen verfügbar sind) bis hin zu einem vollständig verschränkungsbasierten globalen Netzwerk. Die Quantum Internet Initiative der Europäischen Union zielt auf ein betriebsbereites gesamteuropäisches Quantennetzwerk bis Ende der 2030er Jahre ab. Ein wirklich globales Quanteninternet mit interkontinentalen Quantenrepeater-Ketten liegt wahrscheinlich weiter in der Zukunft – aber die grundlegenden Durchbrüche geschehen jetzt, ein verschränktes Photon nach dem anderen.