Definition Was sind Lokale Quanten­kommunikations­netze (Q-LAN)?

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Lokale Quantenkommunikationsnetze ermöglichen eine drahtlose oder kabelgebundene Vernetzung von Quantenelementen wie Quantencomputern oder Quantensensoren. Die Kommunikation der Quantenelemente ist durch die Nutzung quantenphysikalischer Effekte geschützt. Daten können weder mitgelesen noch kopiert werden, ohne dass dies bemerkt wird. Derzeit existieren noch keine tatsächlich produktiv einsetzbaren Q-LANs. Es gibt lediglich erste Konzepte und experimentelle Realisierungen.

Das Kürzel Q-LAN steht für "Quantum Local Area Network". Der deutsche Begriff für Q-LAN lautet "Lokales Quantenkommunikationsnetzwerk". Über Lokale Quantenkommunikationsnetze lassen sich Quantenelemente miteinander vernetzen. Quantenelemente sind beispielsweise Quantencomputer oder Quantensensoren. Grundsätzlich ermöglichen Lokale Quantenkommunikationsnetze eine universelle drahtlose oder kabelgebundene Vernetzung beliebiger Quantenelemente.

Die Kommunikation und Datenübertragung über ein Q-LAN ist in sich sicher. Die intrinsische Sicherheit ist durch quantenphysikalische Phänomene gegeben. Es ist unmöglich, Daten zu kopieren oder mitzulesen, ohne dass sie verändert werden und das bemerkt wird. Eine Anwendung von Lokalen Quantenkommunikationsnetzen ist die Realisierung von Quantencomputer-Clustern.

Derzeit wird intensiv an den für Q-LANs notwendigen Technologien und Verfahren geforscht. Noch wurden keine tatsächlich produktiv einsetzbaren Lokalen Quantenkommunikationsnetze realisiert. Es existieren lediglich erste Konzepte und experimentelle Installationen. Um die Entwicklung zu beschleunigen und voranzutreiben, fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Projekte rund um das Thema "Lokale Netze zur Quantenkommunikation (Q-LAN)".

Prinzipielle Funktionsweise, technische Details und Herausforderungen

Klassische LANs basieren auf der Übertragung von Elektronen über Kupferkabel, von Lichtsignalen über Lichtwellenleiter oder von elektromagnetische Wellen über den Freiraum. Lokale Quantenkommunikationsnetze verbinden Quantenelemente und übertragen Daten mithilfe von Quantenphänomenen wie Superposition und Verschränkung. Da der Zustand von Quantenobjekten nicht gemessen werden kann, ohne ihn zu verändern, sind Q-LANs im Gegensatz zu konventionellen LANs intrinsisch abhörsicher.

Aktuell ist es bereits möglich, Quantenschlüssel über Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mithilfe von Quantenphänomenen über größere Entfernungen zu übertragen. Diese Punkt-zu-Punkt-Verbindungen erlauben einen sicheren Austausch von Quantenschlüsseln. Die Quantenschlüssel lassen sich einsetzen, um die Datenübertragung über klassische kupfer- oder glasfaserbasierte Netzwerke und konventionelle Methoden wie TCP/IP kryptografisch zu schützen.

Ein Q-LAN bietet mehr als eine Punkt-zu-Punkt-Verbindung und erlaubt eine universelle und skalierbare direkte Vernetzung von Quantenelementen über kurze Entfernungen, ohne Notwendigkeit konventioneller Netzwerktechnik. Sämtliche Datenströme der Q-LAN-Teilnehmer werden über Quantenkanäle übertragen. Quantenkanäle lassen sich beispielsweise durch die Übertragung verschränkter Photonenstrahlen im freien Raum oder verschränkter Photonen über Glasfasern realisieren. An den hierfür einzusetzenden Technologien, Hardwareschnittstellen, Netzkomponenten und Übertragungsprotokollen wird intensiv geforscht. Auch entsprechende Verfahren zur Quantenfehlerkorrektur und Quantenfehlerreduktion, Authentisierungsverfahren und Quantenroutingmechanismen müssen noch entwickelt werden.

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