USTC gelingt Durchbruch bei Quanten-Repeatern für 2026

Anfang 2026 erzielten Forscher der University of Science and Technology of China (USTC) einen wegweisenden Durchbruch im Bereich des Quantencomputings und der Kommunikation, indem sie einen skalierbaren Baustein für Quantenrepeater demonstrierten. Diese in der Fachzeitschrift Nature veröffentlichte Arbeit nutzte langlebige Ionenfallen-Quantenspeicher und effiziente Telekom-Schnittstellen, um eine Verschränkung über 10 Kilometer Glasfaser zu etablieren. Durch die Überwindung der schnellen Dekohärenz entfernter Quantenzustände hat das Team unter der Leitung von Hao Li, Yi Yang und Ye Wang den ersten praktischen Beweis dafür erbracht, dass Quantennetzwerke im Metropolen-Maßstab physikalisch und technologisch machbar sind.

Die Vision eines globalen Quanteninternets basiert auf der nahtlosen Integration von Quantenkommunikation, Quantenmetrologie und verteiltem Quantencomputing. Ein solches Netzwerk verspricht einen Paradigmenwechsel in der Art und Weise, wie Informationen verarbeitet und gesichert werden, und bietet hochauflösende Sensorik sowie exponentielle Beschleunigungen bei Rechenaufgaben. Die physikalische Grundlage dieses Netzwerks erfordert jedoch die deterministische Verteilung von Verschränkung – ein Phänomen, bei dem Teilchen unabhängig von der Entfernung miteinander verbunden bleiben – über weite geografische Gebiete. Bis vor kurzem blieb die Infrastruktur, die benötigt wird, um diese fragilen Verbindungen über große Distanzen aufrechtzuerhalten, das bedeutendste „fehlende Bindeglied“ der Branche.

Wie lösen Quantenrepeater das Problem des Photonenverlusts in der Glasfaseroptik?

Quantenrepeater überwinden den Photonenverlust in Glasfasern, indem sie lange Kommunikationsverbindungen in kürzere Segmente unterteilen und Verschränkungsaustausch nutzen, um diese ohne direkte Signalverstärkung zu verbinden. Durch den Einsatz von Quantenspeichern zur Speicherung von Informationen während des Wartens auf eine erfolgreiche Verbindungsbestätigung verhindern diese Repeater die Dekohärenz, die normalerweise bei der Fernübertragung auftritt. Diese Methode umgeht effektiv das No-Cloning-Theorem, welches die Verstärkung von Quantenzuständen in der Art und Weise verhindert, wie klassische Signale verstärkt werden.

In der traditionellen Glasfaser-Telekommunikation wird der Signalverlust durch Verstärker bewältigt, welche die Lichtintensität erhöhen. Im Bereich des Quantencomputings und der Kommunikation können Standardverstärker jedoch nicht verwendet werden, da jeder Versuch, einen Quantenzustand zu kopieren oder zu verstärken, die ursprüngliche Information zerstört. Dieser exponentielle Photonenverlust in Glasfasern hat die faserbasierte Quantenkommunikation historisch auf relativ kurze Reichweiten begrenzt. Quantenrepeater lösen dies, indem sie Verschränkung innerhalb lokaler Segmente erzeugen und diese Verschränkung dann auf das nächste Segment „übertragen“ (Swapping), wodurch eine kontinuierliche Verbindung entsteht, die Hunderte oder sogar Tausende von Kilometern überspannen kann, ohne dass eine Signalklonung erforderlich ist.

Welche Durchbrüche bei Quantenrepeatern gab es im Jahr 2026?

Der primäre Durchbruch im Jahr 2026 umfasste die Entwicklung langlebiger Ionenfallen-Speicher und ein Single-Photon-Verschränkungsprotokoll mit hoher Sichtbarkeit, um eine Speicher-Speicher-Verschränkung über 10 km zu etablieren. Diese Forschung unter der Leitung von Hao Li und Kollegen erreichte Verschränkungslebensdauern, welche die für den Aufbau erforderliche Zeit überschreiten, wodurch der kritische Engpass der schnellen Dekohärenz in entfernten Quantenspeichern gelöst wurde. Dies markiert den Übergang von theoretischen Laborentwürfen zu funktionaler Hardware, die in der Lage ist, Quantencomputing-Netzwerke im urbanen Maßstab zu unterstützen.

Die vom USTC-Team angewandte Methodik umfasste mehrere technologische Schlüsselinnovationen. Erstens nutzten sie die Ionenfallen-Technologie, die im Vergleich zu anderen Festkörpersystemen deutlich längere Kohärenzzeiten bietet. Zweitens entwickelten sie eine effiziente Telekom-Schnittstelle, die die internen Quantenzustände der Ionen in Photonen umwandelt, die mit der bestehenden Glasfaserinfrastruktur kompatibel sind. Dies ermöglichte es den Forschern, eine Speicher-Speicher-Verschränkung über eine 10 km lange Glasfaserverbindung innerhalb der durchschnittlichen Zeit aufrechtzuerhalten, die für den Aufbau dieser Verschränkung benötigt wird. Diese Synchronisation ist eine entscheidende Voraussetzung für die Skalierung des Netzwerks, da sie sicherstellt, dass die Quanteninformation nicht verschwindet, bevor das nächste Glied in der Kette bereit ist.

Wie ermöglichen Quantenrepeater geräteunabhängiges QKD?

Quantenrepeater ermöglichen die geräteunabhängige Quantenschlüsselverteilung (DI-QKD), indem sie die hochpräzise Verschränkungsverteilung über Distanzen ausdehnen, die für direkte Glasfaserverbindungen unmöglich sind. Durch die Bestätigung einer positiven Geheimschlüsselrate über 101 Kilometer im asymptotischen Grenzfall demonstrierte das USTC-Team, dass Quantenrepeater eine „unhackerbare“ Kommunikation ermöglichen können. Dies stellt sicher, dass die Sicherheit der Kommunikation durch die Gesetze der Physik garantiert ist, unabhängig von den internen Unvollkommenheiten der Hardware.

Die praktische Demonstration von DI-QKD im urbanen Maßstab ist vielleicht die bedeutendste unmittelbare Anwendung dieser Forschung. Das Team extrahierte erfolgreich 1.917 geheime Schlüssel aus etwa 405.000 Bell-Paaren über eine Distanz von 10 km. Zuvor war DI-QKD durch die Entfernung stark begrenzt; diese neue Forschung erweitert die erreichbare Reichweite um mehr als zwei Größenordnungen. Für die Sicherheit staatlicher, finanzieller und persönlicher Daten bedeutet dies einen Wandel hin zu einer Zukunft, in der Quantenkryptografie Daten selbst gegen die ausgefeiltesten klassischen oder Quanten-Hacking-Versuche schützt.

Die Auswirkungen auf das Feld des Quantencomputings sind tiefgreifend, da diese Repeater als grundlegende „Bausteine“ für eine skalierbare Architektur dienen. Indem sie bewiesen haben, dass Verschränkung etabliert und lange genug für Reinigung (Purification) und Austausch (Swapping) gehalten werden kann, haben Hao Li und seine Kollegen einen Blaupause für Multi-Knoten-Netzwerke geliefert. Die Fähigkeit, eine positive Schlüsselrate über 101 km zu erzielen, deutet darauf hin, dass wir uns dem Punkt nähern, an dem Quantenknoten in ähnlichen Intervallen wie aktuelle klassische Internet-Hubs platziert werden können, was eine hybride Infrastruktur ermöglicht, die die Welt von der klassischen zur quantensicheren Kommunikation überführt.

Mit Blick in die Zukunft wird sich der Schwerpunkt der Forschung zum Quantencomputing auf die Integration dieser Repeater-Module in bestehende kommerzielle Glasfasernetze verlagern. Der nächste Schritt für das USTC-Team und die breitere wissenschaftliche Gemeinschaft besteht darin, den Prozess der Verschränkungsreinigung zu optimieren, um die Geheimschlüsselrate weiter zu erhöhen und das Netzwerk auf mehrere Knoten in einer Mesh-Konfiguration auszudehnen. Während sich diese Systeme von 10 km auf 100 km und schließlich auf globale Maßstäbe bewegen, wandelt sich der Traum eines sicheren, vernetzten Quanteninternets von der theoretischen Physik in die Realität der globalen Telekommunikation.

• Primärforschung: Ein Baustein von Quantenrepeatern für skalierbare Quantennetzwerke.
• Hauptautoren: Hao Li, Yi Yang, Ye Wang (USTC).
• Wichtiger Meilenstein: 10 km Glasfaser-Verschränkung mit 101 km asymptotischer Kapazität.
• Technologie: Ionenfallen-Quantenspeicher und Telekom-Schnittstellen-Konvertierung.
• Sicherheitsanwendung: Durchbruch bei der geräteunabhängigen Quantenschlüsselverteilung (DI-QKD).