Null oder Eins, An oder Aus – das Bit ist die grundlegende Informationseinheit des digitalen Zeitalters. Anders bei der Quanteninformation. Das Quantenbit, das Qubit ist nicht nur Null oder Eins, sondern Null und Eins zugleich. Die Folge: "Ein Qubit kann viele Zustände gleichzeitig annehmen und ein Rechenraum zur Verfügung steht, der viel größer ist als bei einem klassischen Bit", erklärt IBM-Forscherin Heike Riel.

Die Vision: ein Rechner basierend auf Qubits, ein Quantencomputer. Er würde jeden Superrechner in den Schatten stellen, erklärt Peter Zoller von der Universität Innsbruck: "Wenn Sie einen Quantencomputer hätten mit 300 Quantenbits, wäre der gleich mächtig wie ein Computer, der jedes Atom in sichtbaren Universum als eine Speicherzelle verwendet."

Und: Mit Quantenbits lassen sich Informationen übertragen, absolut abhörsicher. Der Grund ist:"Dass man auf der Basis der Quantenphysik sicher sein kann, dass man jeden Abhörer, der in der Leitung ist, bemerkt", so Gerd Leuchs vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen.

Dabei hilft das wohl merkwürdigste aller Quantenphänomene: Die Verschränkung. Einst von Albert Einstein postuliert bedeutet sie, dass zwei Quanten selbst dann noch in Verbindung stehen, wenn sie kilometerweit voneinander entfernt sind. "Dann taucht irgendwie der Zustand des ersten Photons auf dem Photon, das ganz weit weg ist, wieder auf", sagt Wolfgang Tittel. Eine Quantenteleportation. Die Verschränkung und das Quantenbit – zwei Kernbegriffe für die Quanteninformation. Doch Vorsicht: "Wann immer ich ein System anfasse – alleine durch das Anfassen verändert es sich schon", weiß Dieter Meschede von der Universität Bonn.
Weshalb es verteufelt schwierig ist, das alles in die Technologie der Zukunft zu packen – in Quantenrechner und Kryptographie-Systeme, verbunden durch ein globales Quanteninternet.

Auf der Quantentechnologie-Tagung Anfang Juli in München waren auch Experten aus China dabei. Und die verkündeten dort, das bereits existierende glasfaserbasierte Quantennetzwerk soll jetzt um 11.000 Kilometer erweitert werden. Und eine eigens gegründete Firma soll das künftig betreiben und ihren Kunden Quantenschlüssel für abhörsichere Verbindungen bereitstellen. Die versammelten Experten staunten nicht schlecht, wie stark China da aufs Tempo drückt. Meinen Eindruck, dass China aktuell Technologietreiber auf dem Gebiet ist, wollte Tommaso Calarco, der Initiator des EU-Quantenflagschiff-Projektes, allerdings nicht bestätigen.
"Technologietreiber würde ich noch nicht sagen. Denn die ganzen Ideen, die dort umgesetzt werde, sind Ideen, die in den letzten 10-20 Jahren in Europa und den USA entwickelt worden sind. Die benutzen Dinge, Methoden, die wir entwickelt haben, aber mit viel größeren Ressourcen. Insofern haben die schon eine sehr wichtige und führende Rolle, indem die zeigen, dass das wirklich machbar ist und auch sehr strategisch relevant."
Der Motor der dynamischen Entwicklung in China ist ein Mann namens Jian-Wei Pan. Ein Physiker, der einst in Europa in die Lehre ging, bei dem schon erwähnten Anton Zeilinger. Frank Grotelüschen hat mit Jian-Wei Pan über seine Karriere gesprochen - und über seine Vision für das Quanteninternet.
Heute ist er ein Star der Quanten-Szene - der chinesische Physiker Jian-Wei Pan. Doch eigentlich war das Feld für ihn nicht gerade die Liebe auf den ersten Blick, erinnert er sich: "Als Student belegte ich einen Kurs in Quantenmechanik. Zunächst aber wollte mir ihr Grundkonzept so gar nicht einleuchten. Und so musste ich viel Zeit investieren, um Phänomene wie die Überlagerung oder Verschränkung von Quantenzuständen zu verstehen."
Halbe Sachen sind sein Ding offenbar nicht. Also zog es Pan 1996 zum wohl prominentesten Quantenphysiker der Welt - Anton Zeilinger in Österreich. Schon ein Jahr später, noch während seiner Doktorarbeit, gelang dem Chinesen ein Coup: Er zählte zu jenem Team, dem erstmals die Quantenteleportation glückte: Die Forscher um Anton Zeilinger konnten Photonen, also Lichtteilchen, regelrecht beamen - wenn auch nur von einer Ecke des Labortischs zur anderen. Was Pan damals schon faszinierte: Das war nicht nur ein bahnbrechendes Grundlagenexperiment, sondern eine Pioniertat für künftige Quantentechnologien.
"In Innsbruck dachten damals ein paar Leute zum ersten Mal ernsthaft darüber nach, ob sich sowas für abhörsichere Kommunikation nutzen ließe. Und ich hatte das Glück, dabei sein zu dürfen – als Mitglied eines wunderbaren Teams." 2003 zog es ihn nach Deutschland, an die Uni Heidelberg. Hier konnte Jan-Wei Pan eine eigene Forschergruppe aufbauen: "Ich liebe Deutschland - das Brot, das Essen, die Kultur. Und ich mag die deutsche Art, Wissenschaft zu betreiben."
Dennoch: Als ihm die chinesische Universität für Wissenschaft und Technik in Hefei 2008 ein großzügiges Angebot unterbreitete, zog es den Physiker zurück in seine Heimat. "China ist meine Heimat. Und ich denke, es ist eine gute Sache, wenn ich hier etwas zur Entwicklung von Wissenschaft und Technologie beitragen kann. Deshalb habe ich die Einladung sofort angenommen."

Jian-Wie Pan, der der Uni Heidelberg als Honorarprofessor verbunden bleibt, tüftelt seit langem an einer Vision: der Quantenkommunikation über große Entfernungen. "Quantensignale können sich in einer Glasfaser nur beschränkt ausbreiten. In der Regel werden sie nach wenigen hundert Kilometern absorbiert." Deshalb verfolgt Pan parallel ein anderes Konzept - die Quantenkommunikation via Satellit. Denn im luftleeren Raum, können sich die Lichtsignale, die die Quanteninformation übertragen, ungestört fortpflanzen.
Um das Ganze zu testen, startete China 2016 den weltweit ersten Quantensatelliten ins All, finanziert mit Milliarden von der Regierung, maßgeblich mitentwickelt von Pan. 2017 dann die Erfolgsmeldung. "Letztes Jahr haben wir es geschafft, mit unserem Quantensatelliten eine sichere Verbindung zwischen Peking und Wien herzustellen, über eine Entfernung von 7600 Kilometern." Der Satellit hatte einen Quantenschlüssel von Fernost nach Österreich übermittelt, zu Pans Doktorvater Anton Zeilinger in Wien - und zwar absolut abhörsicher. Ein Triumph, der China endgültig an die Spitze der Quantentechnologie brachte.
Vor praktischen Anwendungen gibt es aber noch viel zu tun für Pan und seine Leute. "Wir müssen noch zwei Probleme lösen. Erstens: Unser Satellit funktioniert nur bei Nacht, das Tageslicht stört die Kommunikation. Deshalb arbeiten wir an einer Technologie, die die Quantenkommunikation auch bei Tag ermöglicht. Und zweitens: Unser Satellit umkreist die Erde auf einem niedrigen Orbit und kommt nur zweimal täglich an den Sendestationen vorbei. Das ist natürlich noch zu wenig für eine praktische Anwendung."
Doch der chinesische Quantenpapst hat schon eine Idee: Er will weitere Quantensatelliten ins All schießen. Dieses Satellitennetz soll eine ausreichende Abdeckung schaffen und so die Basis bilden für ein weltweites Quantenweb. "Wir glauben, wir können so ein globales Quanteninternet in etwa zehn Jahren zur Verfügung stellen." Und sollte er diese Vision mit der ihm eigenen Zielstrebigkeit verfolgen, ist Jian-Wei Pan das durchaus zuzutrauen.

Glasfasern bilden das Rückgrat des Internets. Da wäre es schon praktisch, ließen sie sich künftig auch für die abhörsichere Kommunikation mittels Quantentechnologie nutzen, sagt Tracy Northup. Die US-Physikerin arbeitet an der Universität Innsbruck: "Wir stellen uns vor, dass auch das Quanteninternet auf Glasfasern basiert. Denn dann könnten wir einfach auf große Teile der heutigen Infrastruktur zurückgreifen. Die Herausforderung dabei ist, dass wir die Signale, die wie übertragen wollen, in einem bestimmten Zustand halten müssen, einem genau definierten Quantenzustand. Und das ist mit der heutigen, der klassischen Technik nur sehr eingeschränkt möglich."

Ist ein Quantensignal in einer Glasfaser unterwegs, verliert es allmählich an Stärke, bis es schließlich in der Faser versickert. Die maximale Reichweite: 100 bis maximal 200 Kilometer - viel zu wenig für die Kommunikation zwischen Kontinenten. Das Problem: Gewöhnliche Signalverstärker, wie sie heute etwa alle 100 Kilometer zum Einsatz kommen, funktionieren nicht: Sie zerstören die fragilen Quantensignale. Also braucht es eine neue Art von Verstärker, der mit Quanteninformation klar kommt - den Quantenrepeater. Tracy Northup: "Die ersten theoretischen Konzepte für so einen Quanten-Signalverstärker sind über 20 Jahre alt. Seitdem sind zwar viele Ideen hinzugekommen - aber realisiert wurde davon bislang noch nichts. Wir arbeiten noch dran."

Ein Quantenrepeater funktioniert ganz anders als ein gewöhnlicher Verstärker. Er basiert auf der Verschränkung - jener von Albert Einstein postulierten spukhaften Fernwirkung, die zwei Quanten miteinander verbindet wie ein unsichtbares Band. In der Praxis könnte das etwa so aussehen: Ein Photon rast lichtschnell durch eine Glasfaser und kommt bei einem Repeater an. Dort trifft es auf einen Quantenspeicher - zum Beispiel ein Atom, eingesperrt in einer Spezialfalle. Auf dieses Atom kann das Photon seine Quanteninformation übertragen. Das Atom wird dadurch zum Quantenspeicher, sagt Prof. Dirk Englund, ein deutscher Physiker, der schon lange in den USA arbeitet, seit einiger Zeit am MIT in Boston.

"Zum Beispiel kann man ein Photon von der linken Seite in einen Speicher tun und dann ein anderes Photon von der rechten Seite in einen anderen Speicher, und die beiden dann koppeln. Auf diese Weise kann man dann die linke und die rechte Seite von einem Netzwerk verschränken."

Dieses Spielchen lässt sich ausweiten auf andere, benachbarte Repeater – solange, bis alle Repeater einer Leitung miteinander verschränkt sind. Dadurch lässt sich eine Quanteninformation, wie etwa ein geheimer Sicherheitscode, über tausende von Kilometern regelrecht teleportieren. Und zwar ohne große Verluste und ohne, dass jemand auf der Strecke auch nur die geringste Chance hätte, Informationen abzugreifen. So die Idee, und es gibt auch schon erste Erfolge, so Dirk Englund.
"Vor kurzem hat eine Gruppe, die von Ronald Hanson aus Delft geleitet wird, die erste Hälfte eines Quantenrepeaters vorgestellt, indem sie zwei Elektronenspins in Diamanten verschränkt haben, über eine Distanz von 1,3 Kilometer in der Nähe von Delft. Das ist der erste große Schritt in die Richtung von einem Quanten-Netzwerk. Die nächste Herausforderung ist: Man muss die Verschränkung schneller verbreiten als der Speicher verfällt. Und da sind wir gerade ganz nah dran."
Speicher, die eine fragile Quanteninformation lange genug halten können, und die effektiv mit Photonen interagieren – sie sind die große Herausforderung beim Bau des Quantenrepeaters. Genau daran tüfteln die Physiker überall auf der Welt – und versuchen es unter anderem mit eingesperrten Atomen, mit stickstoff-gespickten Diamanten oder mit supraleitenden Chips. Und welches Konzept dürfte das Rennen machen? Das, meint Tracy Northup, ist noch ziemlich ungewiss: "Das ist schwer zu sagen. Aber ich hoffe, dass ich in zehn Jahren wirklich überrascht sein werde, wie weit wir gekommen sind."