Seite 2: Vier Vorteile der Quantenkommunikation

Inhaltsverzeichnis

1. Informationseffizienz

Eine klassische Kommunikation mit Photonen, über interstellare Entfernungen, lässt sich gut im Teilchenmodell veranschaulichen. Der Sender erzeugt einen Puls an Teilchen, und fokussiert diese durch einen Parabolspiegel in einen Strahl, dessen minimaler Durchmesser durch die Lichtbeugung begrenzt ist. Das bedeutet, dass sich der Lichtstrahl über große Entfernungen aufweitet. Wenn man beispielsweise einen optischen Laserstrahl durch ein ein Meter messendes Teleskop fokussiert und über die 4 Lichtjahre nach Alpha Centauri sendet, ist der Lichtkegel dort bereits so breit wie der Abstand von der Erde zur Sonne. Ein Empfänger auf einem Planeten um Alpha Centauri empfängt also nur einen kleinen Bruchteil der ausgesendeten Photonen. Der Rest fliegt am Empfänger vorbei in die Tiefen des Alls. Dafür sind Photonen recht günstig im Einkauf: Man erhält bereits etwa 10¹⁹ Stück von einem Laser, der mit einem Watt für eine Sekunde leuchtet.

In Summe dieser Effekte ist in der interstellaren Kommunikation jedes Photon kostbar. Man möchte deshalb möglichst viele Bits an Information in jedes übertragene Photon kodieren. Wie macht man das? Photonen ohne Richtungsinformation haben drei Freiheitsgrade: Ihre Ankunftszeit, ihre Energie (= Wellenlänge oder Frequenz), und die Polarität. Darauf basierend wird ein Alphabet vereinbart, sodass zum Beispiel ein Photon, das zum Zeitpunkt 11 Uhr 37 mit Wellenlänge 650 nm („rot“) und Polarität „links“ ankommt, dem Buchstaben „A“ entspricht. Die Anzahl der Bits, die sich pro Freiheitsgrad kodieren lassen, skaliert leider nur logarithmisch: 1024 Moden ergeben 10 bits pro Photon. In der Praxis hat man noch Verluste und Rauschen zu berücksichtigen, sodass sich mit dieser klassischen Kommunikation selten mehr als vielleicht 10 bits pro Photon übertragen lassen.

Die Quantenkommunikation bietet nun die Möglichkeit, die Informationsdichte zu erhöhen. Es gibt mehrere Arten, um dies zu realisieren, aber eine gute Veranschaulichung basiert darauf, dass man Licht „quetschen“ kann (dazu später mehr). Dann lässt sich zum Beispiel die Ankunftszeit (auf Kosten anderer Parameter) genauer messen. Es gibt analytische Modelle, und auch bereits praktische Demonstrationen, die zeigen, dass der Informationsgehalt sich um bis zu 50 Prozent erhöhen lässt. Es lassen sich dann beispielsweise 15 bits pro Photon kodieren, anstatt nur 10.

2. Informationssicherheit

Die Verschlüsselung sensibler Daten während der Datenübertragung ist für uns Menschen ein wichtiges Thema. Wir wissen natürlich nicht, ob das bei anderen Zivilisationen auch der Fall ist. Es ist aber plausibel, dass künftige Kolonien auf dem Mars (oder Alpha Centauri, etc.) ihre Kommunikation untereinander und mit der Erde ebenfalls verschlüsseln wollen. Insofern hat Verschlüsselung für Sendungen durch das Weltall durchaus Relevanz.

Heutige Verschlüsselungsmethoden basieren meist auf mathematischen Einwegfunktionen. Dabei ist es zum Beispiel einfach, zwei große Zahlen zu multiplizieren. Wenn allerdings der geheime Schlüssel fehlt, muss man den umgekehrten Weg gehen, und aus der großen Zahl die beiden Primfaktoren zu berechnen. Das ist sehr viel schwieriger. Die Sicherheit dieses und ähnlicher Verfahrens beruht aber „nur“ darauf, dass noch niemand eine effektive Methode zur Berechnung gefunden hat. Wir haben in keinem Fall den mathematischen Beweis vorliegen, dass eine solche Berechnung nicht möglich ist. Es besteht immer die Gefahr, dass ein genialer Algorithmus gefunden wird, der die Verschlüsselung knackt. Auch Quantencomputer könnten in der Zukunft verwendet werden, um manche Verschlüsselungsmethoden anzugreifen.

Im Gegensatz dazu gibt es die Quantenkryptografie. Das bekannteste Verfahren verwendet einen Quantenschlüsseltausch, der auch bereits in der Praxis über große Entfernungen, zum Beispiel via Satellit, durchgeführt wurde. Die basiert auf der Quantenmechanik und ist unknackbar, solange kein Fehler bei der Übermittlung gemacht wird – und solange niemand die Quantenmechanik widerlegt.

3. Eintrittsbarriere

Falls es wirklich ein galaktisches Internet gibt, wie schützt man es dann davor, von ungebildeten Zivilisationen vollgespamt zu werden? Dieses Problem hat bereits Mieczysław Subotowicz beschäftigt, einen polnischen Professor der Astrophysik, der 1979 in einem Fachbeitrag zur Neutrino-Kommunikation geschrieben hat, diese sei: „so schwierig, dass eine fortschrittliche Zivilisation absichtlich nur darüber mit Außerirdischen ihres eigenen Entwicklungsstands kommunizieren könnte“. Nun sind, wie weiter oben erwähnt, Neutrino-Kommunikationen sehr ineffizient. Es wäre viel eleganter und energiesparender, stattdessen Photonen zu verwenden. Als Eintrittsbarriere scheint plausibel, klassische Photonen nicht zuzulassen, sondern Quantenkommunikation vorauszusetzen. Damit wären junge technologische Zivilisationen wie die unsere außen vor, wobei wir in den nächsten Jahrzehnten gute Chancen hätten, beizutreten.

4. Quantencomputer

Konrad Zuse baute 1941 in seiner Berliner Wohnung die Zuse Z3, den ersten Turing-vollständigen Computer. Dabei handelte es sich um eine einzelne Rechenmaschine. Es dauerte mehrere Jahrzehnte, bis 1969 mit dem ARPANET die ersten Computer vernetzt wurden. Daraus hervor ging das Internet, in dem heute Milliarden von Computern aller Art vernetzt sind: PCs, Handys, Waschmaschinen, usw. Alle diese Geräte sind klassische Rechner, die klassische Informationen (bits) auf klassischen Pfaden (zum Beispiel via Photonen in Glasfasern) tauschen.

In der Zukunft könnten Quantencomputer an Bedeutung gewinnen, denn sie können eine bestimmte Klasse an Problemen sehr viel effizienter lösen. Daraus könnte ein „Quanten-Internet“ entstehen, in dem Quantencomputer „qubits“, also verschränkte Quantenbits, tauschen. Dabei könnte es sich um Zwischenergebnisse von Simulationen handeln, oder auch um Beobachtungsdaten, die später miteinander überlagert werden. Ebenso ist es denkbar, dass quantenbasierte Beobachtungsdaten und Zwischenergebnisse über größere Entfernungen getauscht werden sollen. Dann kommt interstellare Quantenkommunikation ins Spiel. Wenn ferne Zivilisationen ebenfalls Quantencomputer verwenden, wird ihre Kommunikation aus verschränkten Teilchen bestehen.

Exkurs: Die (un)mögliche magische Pandorra-Quantenbox

Die Idee, mittels Quantenverschränkung augenblicklich (ohne Zeitverlust) über große Entfernungen Informationen zu übermitteln, ist ein häufiges Motiv in der Science-Fiction-Literatur. Beispielsweise verwenden die "Trisolarier" in dem bekannten Roman "Die drei Sonnen" des chinesischen Autors Liu Cixin quantenverschränkte Protonen zur sofortigen Kommunikation.

Diese Methode klingt zu schön, um wahr zu sein – und leider enthält sie tatsächlich gleich drei fundamentale Fehler. Der Erste ist die Unmöglichkeit, schneller als mit Lichtgeschwindigkeit Informationen auszutauschen. Wäre das möglich, so käme es zu einer Kausalitätsverletzung: Man könnte die Information übermitteln, bevor ein Ereignis geschieht, und somit Paradoxien verursachen ("Großvaterparadox"). Zweitens funktioniert Quantenverschränkung so nicht: Man kann nicht bei zwei verschränkten Teilchen eines verändern, und damit den Zustand des Partners beeinflussen. Sobald eines der Teilchen verändert wird, zerstört dieser Prozess die Verschränkung ("no communication theorem").

Drittens ist eine Informationsübermittlung ohne Teilchen (es fliegt ja kein Partikel von A nach B) unmöglich. Informationen sind in unserem Universum immer an Masse (oder Energie) gebunden, und existieren nicht losgelöst davon. Es gibt hier zwar noch offene Fragen, beispielsweise wann und wie Informationen wieder aus einem Schwarzen Loch herauskommen, die mit der Materie hineingeflogen sind. Das ändert aber nichts daran, dass die Kommunikation per Quantenverschränkung und ohne Teilchentausch, unmöglich ist.

Doch halt – bevor wir die "magische Box der verschränkten Photonen" wegwerfen, sollten wir doch einmal genauer hineinschauen. Es gibt nämlich bei allem Unsinn, der darüber geschrieben wird, eine tatsächlich sinnvolle und physikalisch unumstrittene Einsatzmöglichkeit unter dem Begriff "Pre-shared entanglement", also eine vorab getauschte Verschränkung. Dazu müssen wir erst einmal annehmen, dass wir eine große Anzahl Photonen verschränken und speichern können. Das ist gar nicht so einfach: Der aktuelle Weltrekord für einen Quantenspeicher bewahrt die Verschränkung nur für sechs Stunden.

Und sogar dafür ist erheblicher Aufwand notwendig: Genutzt wird der Hyperfeinstrukturübergang von Europiumionen-Dotierstoffen in Yttriumorthosilikat unter Verwendung optisch detektierter Kernspinresonanztechniken. Doch es ist denkbar, dass der technologische Fortschritt längere Speicherungen möglich macht. Für eine interstellare Reise sind die Bedingungen dafür besonders gut, denn das Weltall ist voll dunkel und kalt, was die Dekohärenz durch Störeinflüsse verlangsamt.

Nehmen wir also an, ein solcher Quantenspeicher steht zur Verfügung – was machen wir damit? Wir nehmen eine Hälfte der magischen Box mit an Bord eines Raumschiffs! Und das Gegenstück verbleibt auf der Erde. Nun fliegt das Raumschiff weit weg, und will nach Hause kommunizieren. Der Trick ist dann, die Bits der Informationsendung nicht einfach per Photonenbrief an die Erde zu senden, sondern jedes klassische Signalphoton zuerst mit einem (oder mehreren) gespeicherten verschränkten Photonen zu überlagern. Das Ergebnis ist pro Überlagerung ein klassisches Photon, welches dann "voll normal" an den Empfänger (zum Beispiel die Erde) gesendet wird. Dort angekommen, öffnet der Empfänger seine eigene magische Box und bringt seinen Teil der verschränkten Teilchen damit zur Überlagerung. Damit lässt sich die ursprüngliche Botschaft rekonstruieren.

Der Vorteil dieses Verfahrens ist ein erhöhter Informationsgehalt: Die Informationsmenge (in bit pro Photon) erhöht sich um den Faktor log2(M), wobei M das Verhältnis der verschränkten zu den Signalphotonen ist. Selbst eine sehr große magische Kiste ist deshalb nur begrenzt nützlich, denn leider ist beispielsweise log2(1024) nur 10. Auch Verluste und Störungen (zum Beispiel durch Rauschen) haben einen sehr negativen Einfluss auf die Informationsmenge. Trotzdem ist das "Pre-shared entanglement" eine Methode, die man erwägen kann, denn sie ist physikalisch akzeptiert – im Gegensatz zu den meisten anderen Ideen in der populären Literatur.