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Unter einem '''Quantennetzwerk''' (manchmal auch '''Quanteninternet'''<ref>[https://arxiv.org/abs/0806.4195 The Quantum Internet]</ref>) versteht man die Verbindung von [[Quanteninformation]]strägern (''Quantenknoten'') mittels [[Quantenkanal|''Quantenkanälen'']]. Die Struktur eines Quantennetzwerks ähnelt der eines klassischen [[Netzwerk]]s, aber die Übertragung von Information erfordert ein anderes Vorgehen als bei einem klassischen System.

== Grundlagen ==
=== Aufbau von Quantennetzwerken ===
Die Struktur eines Quantennetzwerks ähnelt der eines klassischen [[Netzwerk]]s. Die Knoten sind einzelne [[Qubit]]s oder [[Quantencomputer]]. Diese werden miteinander verbunden, z. B. durch [[Glasfasernetz|Glasfaserleitungen]], über die [[Photon|Photonen]] ausgetauscht werden. Die Übertragung von Information erfordert ein anderes Vorgehen als bei einem klassischen System. In einem klassischen System kann man durch Messung vollständige Informationen über einen beliebigen Zustand erhalten und damit den Zustand kopieren. In einem [[quantenmechanisch]]en System ist das unmöglich, denn der [[Quantenzustand]] eines Qubits lässt sich aufgrund des [[No-Cloning-Theorem]]s nicht kopieren. Man kann jedoch den Zustand selber übertragen, wenn man Eigenschaften der [[Quantenverschränkung]] ausnutzt. Das entsprechende Verfahren heißt [[Quantenteleportation]]. Damit überträgt man den [[Zustand (Quantenmechanik)|quantenmechanischen Zustand]] eines [[Quantensystem]]s (Quelle), z. B. eines Photons oder eines Qubits, auf ein anderes Quantensystem (Ziel). Der Zustand der Quelle wird durch die Übertragung verändert. Ist die Übertragungsstrecke so groß, dass [[Pfadverlust]]e eine Rolle spielen, bietet sich der Einsatz von [[Quantenrepeater]]n an.

=== Quantennetzwerke für die Kommunikation ===
Sollen Verbindungen zwischen weit entfernten Orten Methoden der [[Quantenkryptographie]] nutzen (Long-Distance Quantum Communication<ref>[https://arxiv.org/abs/quant-ph/0105105 Long-distance quantum communication with atomic ensembles and linear optics]</ref>), wird ein Netzwerk von Repeaterstationen benötigt, das der Infrastruktur des heutigen Internet ähnelt. Ein solches Quantennetzwerk ist noch weit entfernt vom alltäglichen Einsatz. Prototypen der dafür benötigten Bausteine wurden aber bereits international in Labors implementiert.

Das weltweit größte Netzwerk aus Quantenkommunikationsnetzwerken verbindet [[Shanghai]] und [[Peking]] und integriert über 700 [[Lichtleiter]] und zwei Satellit-Verbindungen, wodurch es Knoten mit Entfernungen von bis zu 4.600 km möglich ist [[Quantenschlüsselaustausch|Quantenschlüssel auszutauschen]]. Dabei wurde eine Trusted-Relay-Struktur verwendet.<ref>{{cite news |title=The world's first integrated quantum communication network |url=https://phys.org/news/2021-01-world-quantum-network.html |language=en |work=phys.org}}</ref><ref>{{cite journal |last1=Chen |first1=Yu-Ao |last2=Zhang |first2=Qiang |last3=Chen |first3=Teng-Yun |last4=Cai |first4=Wen-Qi |last5=Liao |first5=Sheng-Kai |last6=Zhang |first6=Jun |last7=Chen |first7=Kai |last8=Yin |first8=Juan |last9=Ren |first9=Ji-Gang |last10=Chen |first10=Zhu |last11=Han |first11=Sheng-Long |last12=Yu |first12=Qing |last13=Liang |first13=Ken |last14=Zhou |first14=Fei |last15=Yuan |first15=Xiao |last16=Zhao |first16=Mei-Sheng |last17=Wang |first17=Tian-Yin |last18=Jiang |first18=Xiao |last19=Zhang |first19=Liang |last20=Liu |first20=Wei-Yue |last21=Li |first21=Yang |last22=Shen |first22=Qi |last23=Cao |first23=Yuan |last24=Lu |first24=Chao-Yang |last25=Shu |first25=Rong |last26=Wang |first26=Jian-Yu |last27=Li |first27=Li |last28=Liu |first28=Nai-Le |last29=Xu |first29=Feihu |last30=Wang |first30=Xiang-Bin  |title=An integrated space-to-ground quantum communication network over 4,600 kilometres |journal=Nature |language=en |issue=7841 |volume=589 |pages=214–219 |date=2021-01 |issn=1476-4687 |doi=10.1038/s41586-020-03093-8 |pmid=33408416 |url=https://www.nature.com/articles/s41586-020-03093-8}}</ref> Ein weiteres Beispiel für ein prototypisches Quantenkommunikationsnetzwerk ist ein stadtgroßes Quantennetzwerk für acht Nutzer in [[Bristol]], wobei die bereits vorhandene Glasfaser-Infrastruktur verwendet wurde und kein aktives Switching oder vertrauenswürdige Knoten benötigt werden.<ref>{{cite news |title=Multi-user communication network paves the way towards the quantum internet |url=https://physicsworld.com/a/multi-user-communication-network-paves-the-way-towards-the-quantum-internet/ |work=Physics World |date=2020-09-08 |language=en}}</ref>

=== Quantennetzwerke zur Erhöhung der Rechenleistung ===
{{Siehe auch|Rechnerverbund}}
Die Anzahl der zur Verfügung stehenden Qubits beschränkt die Rechenleistung eines [[Quantencomputer]]s. Wenn man mehrere Quantencomputer zu einem [[Verteiltes System|verteilten System]] verbindet, könnten Systeme entstehen, die über mehr Qubits verfügen als die einzelnen Quantencomputer und dadurch deren Beschränkungen umgehen.<ref>{{cite news |title=Quantum systems learn joint computing |url=https://phys.org/news/2021-02-quantum-joint.html |access-date=2021-03-07 |work=phys.org |language=en}}</ref><ref>{{cite journal |last1=Daiss |first1=Severin |last2=Langenfeld |first2=Stefan |last3=Welte |first3=Stephan |last4=Distante |first4=Emanuele |last5=Thomas |first5=Philip |last6=Hartung |first6=Lukas |last7=Morin |first7=Olivier |last8=Rempe |first8=Gerhard |title=A quantum-logic gate between distant quantum-network modules |journal=Science |date=2021-02-05 |volume=371 |issue=6529 |pages=614–617 |doi=10.1126/science.abe3150 |url=https://science.sciencemag.org/content/371/6529/614 |language=en |issn=0036-8075|arxiv=2103.13095 }}</ref> Verteilte konventionelle Supercomputer wie [[folding@home]] haben eine Leistungsfähigkeit zur Ausführung geeigneter Algorithmen, die der aufsummierten nutzbaren/genutzten Rechenkapazität deren einzelnen Teilsystemen entspricht.<ref>{{cite journal |last1=Joshi |first1=Siddarth Koduru |last2=Aktas |first2=Djeylan |last3=Wengerowsky |first3=Sören |last4=Lončarić |first4=Martin |last5=Neumann |first5=Sebastian Philipp |last6=Liu |first6=Bo |last7=Scheidl |first7=Thomas |last8=Lorenzo |first8=Guillermo Currás |last9=Samec |first9=Željko |last10=Kling |first10=Laurent |last11=Qiu |first11=Alex |last12=Razavi |first12=Mohsen |last13=Stipčević |first13=Mario |last14=Rarity |first14=John G. |last15=Ursin |first15=Rupert |title=A trusted node–free eight-user metropolitan quantum communication network |journal=Science Advances |date=2020-09-01 |volume=6 |issue=36 |pages=eaba0959 |doi=10.1126/sciadv.aba0959 |pmid=32917585 |pmc=7467697 |url=https://advances.sciencemag.org/content/6/36/eaba0959 |language=en |issn=2375-2548}}</ref>

== Rundfunkberichte ==
* [[Ralf Krauter]] und [[Frank Grotelüschen]]: [https://www.deutschlandfunk.de/web-q-0-das-quanteninternet-nimmt-gestalt-an.740.de.html?dram:article_id=425283 ''Web Q.0 – Das Quanteninternet nimmt Gestalt an''], [[Deutschlandfunk]] – ''„[[Wissenschaft im Brennpunkt]]“'' vom 12. August 2018

== Einzelnachweise ==
<references />

== Literatur ==
* Seth Lloyd, Jeffrey H. Shapiro, and Franco N. C. Wong, Prem Kumar, Selim M. Shahriar, and Horace P. Yuen: ''Infrastructure for the Quantum Internet''; in: ACM SIGCOMM Computer Communications Review Volume 34, Number 5: Oktober 2004, S. 9–20.
* John Preskill: ''Plug-in quantum software'', Nature, Volume 402, 25. November 1999, S. 357–358

[[Kategorie:Quanteninformatik]]

Quantennetzwerk - Versionsgeschichte

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