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Quantenunterstützte Kommunikation

Bei Quantentechnologien werden Eigenschaften und Effekte der Quantenphysik ausgenutzt, um bestimmte grundsätzliche Grenzen und Einschränkungen herkömmlicher Technologien zu überwinden. Das kann zum Teil mit erheblichen Vorteilen verbunden sein (Quantenvorteil). So kann die Nutzung von Quantenressourcen, insbesondere der sogenannten Quantenverschränkung, auch klassische Kommunikation fundamental verbessern. Dies wird im Englischen als Entanglement-Assisted Communication (verschränkungsassistierte Kommunikation) bezeichnet und hier vereinfachend mit »quantenunterstützte Kommunikation« übersetzt. Damit kann grundsätzlich eine viel höhere Kommunikationseffizienz erreicht werden: Pro Nutzung des Kommunikationskanals (z. B. pro Übertragung eines Fotons) kann so mehr Information (z. B. mehr Bits) übertragen werden als klassisch möglich.

Ein neuartiges und optimales Verfahren erlaubt hier insbesondere eine deutlich bessere verdeckte, also schwer aufklärbare Drahtloskommunikation im Mikrowellen- und Radiofrequenzbereich, welche zusätzlich quantensicher ist. Prinzipiell kann man weder erkennen, ob das aufgeklärte Signal moduliert ist (Information trägt), noch kann der Nachrichteninhalt dekodiert werden. Es eignet sich besonders für stark verrauschte und verlustbehaftete Kommunikationskanäle, wie sie bei der zivil und militärisch wichtigen atmosphärischen Drahtloskommunikation im Mikrowellenbereich (z. B. Funk- und Mobilfunkverfahren, WLAN usw.) bzw. im darunter liegenden Radiofrequenzbereich vorherrschen. Dort ist ein starkes temperaturbedingtes Umgebungsrauschen allgegenwärtig, unter welchem bei verdeckten Kommunikationsverfahren im Allgemeinen das Sendesignal versteckt wird. Dieses Verfahren ist theoretisch optimal. Es kann prinzipiell den vollen mathematisch möglichen Quantenvorteil bei der Kommunikationseffizienz gegenüber dem bestmöglichen herkömmlichen, nicht quantenunterstützten Kommunikationsverfahren erreichen. Im Idealfall, falls den Kommunikationspartnern eine unbegrenzte Menge an perfekter gemeinsamer Verschränkung als Quantenressource zur Verfügung steht, könnte hiermit pro Zeiteinheit potenziell zehnmal mehr Information (Bits) übertragen werden als konventionell möglich.

Um kommunizieren zu können, muss zunächst die benötigte Verschränkung in Form eines aus zwei miteinander verschränkten Quantensignalen (Moden) bestehenden sogenannten TMSV-Zustands erzeugt werden (z. B. auf einem Satelliten). Anschließend müssen die Moden dann jeweils zwischen Sender (Signalmode) und Empfänger (Referenzmode) verteilt werden, welche sie idealerweise in eigenen Quantenspeichern vorhalten. Diese Verschränkungsverteilung (Entanglement Distribution) stellt als zentrale vorgelagerte Technologie die Grundlage des Verfahrens (sowie auch der meisten anderen Quantenkommunikationsverfahren) dar.

Beim eigentlichen Kommunikationsvorgang phasenmoduliert der Sender seine Signalmode mit der entsprechenden Nachricht und strahlt diese über eine geeignete Antenne ab. Da jede der beiden Moden aus perfektem Rauschen bestehen und Phasenmodulation dieses aus Sicht eines Dritten (z. B. einer Abhörstation) nicht verändert, kann die Modulation nur von dem Empfänger erkannt werden, der Zugang zur Referenzmode hat. In dessen Quantenreceiver wird dafür sozusagen die Zusatzinformation genutzt, die in der Quantenverschränkung zwischen den empfangenen Photonen der Signalmode und ihren jeweiligen Partnerphotonen aus seiner Referenzmode steckt, um erstere aus dem Rauschen am Empfänger herausfiltern und die darin enthaltene Nachricht dekodieren zu können.

Aufgrund seiner Leistungsfähigkeit und breiten Einsetzbarkeit kann das beschriebene Verfahren allgemein als potenziell revolutionär für die Drahtloskommunikation angesehen werden, auch unabhängig von seiner Eignung für die (hauptsächlich militärisch interessante) verdeckte Kommunikation. Im zivilen Bereich könnten solche Verfahren in Zukunft z. B. praktisch alle herkömmlichen (Mobil-) Funkverfahren und Systeme ganz oder teilweise ersetzen. Hier ist vor allem interessant, dass sie nur äußerst schwache, im Bereich des natürlichen Umgebungsrauschens liegende Signale benötigen. Damit kann einerseits eine etwaige negative Wirkung auf Mensch und Umwelt praktisch ausgeschlossen werden (elektromagnetische Umweltverträglichkeit). Andererseits ist eine Störung anderer technischer Systeme – wie insbesondere Drahtloskommunikationssysteme – ebenfalls vernachlässigbar (elektromagnetische Verträglichkeit). Da solche verschränkungsassistierten Verfahren im Gegensatz zu bisherigen, klassischen Drahtlossystemen nicht auf die Nutzung herkömmlicher (Frequenz-)Kanäle angewiesen sind, um verschiedene Sender bzw. Dienste zu trennen, sondern quasi ausschließlich die rein quantenphysikalische Zusatzinformation der Verschränkung nutzen, um das Sendesignal aus dem Umgebungsrauschen am Empfänger herausfiltern zu können, könnte mit ihnen auch das immer dringender werdende Problem der Knappheit des elektromagnetischen Spektrums bzw. der elektromagnetischen Interferenz (EMI) zwischen Sendern bzw. Diensten grundsätzlich gelöst werden.

Obwohl das Grundprinzip dieses 2019 erst publizierten Verfahrens, zusammen mit einem Quantenvorteil, vor kurzem erstmals im Labormaßstab demonstriert werden konnte, ist mit einer Einsatzreife erst langfristig bis sehr langfristig zu rechnen.

Dieser Trend-NEWSletter-Artikel wurde im Dezember 2024 veröffentlicht.

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