Quantenkommunikation: China schraubt Reichweite auf 3.700 Kilometer hoch

Digitale Sicherheit wird zur strategischen Frage. Banken, Behörden, Stromnetze und Militär kommunizieren über Leitungen, die heute noch mit klassischen Verschlüsselungsverfahren geschützt sind. Doch leistungsfähige Quantencomputer könnten diese Verfahren eines Tages aushebeln. Deshalb arbeiten Staaten weltweit an einer Alternative: Quantenkommunikation. Jetzt meldet ein Team aus China einen technischen Schritt, der die Diskussion deutlich verändert.

In einer Studie, veröffentlicht im Fachjournal Nature, berichten Wissenschaftler der Universität Peking über eine neue Architektur für Quantennetzwerke. Die Forschenden überbrückten rechnerisch 3.700 Kilometer – ohne die bisher üblichen Relaisstationen. Bei einer realen Glasfaserstrecke von 370 Kilometern überschritten alle Verbindungen die sogenannte PLOB-Grenze, also das bisherige theoretische Distanzlimit ohne Quantenrepeater. Entscheidend ist dabei nicht nur die Distanz, sondern dass das System auf industriell gefertigten Photonik-Chips basiert und über normale Glasfaserkabel läuft.

Quantenkommunikation: Reichweite wächst – und Relais verschwinden

Bislang galten sogenannte „vertrauenswürdige Relaisknoten“ als notwendige Bausteine großer Quantennetze. Diese Stationen leiten Schlüssel weiter, stellen aber selbst ein Sicherheitsrisiko dar. Das neue System verzichtet vollständig auf solche Zwischenstationen.

Stattdessen synchronisiert ein sogenannter optischer Frequenzkamm alle Geräte im Netzwerk. Er erzeugt extrem stabile Laserlinien mit einer Linienbreite von nur 40 Hertz. Messungen über zwölf Stunden zeigten eine konstante Intensität mit nur minimalen Schwankungen. Das sorgt dafür, dass Sender und Empfänger exakt im gleichen Takt arbeiten. Schon minimale Abweichungen würden die empfindlichen Quantensignale stören.

Die Wissenschaftler setzten 20 integrierte Quantenchip-Knoten ein. Jeweils zwei Chips bildeten ein Kommunikationspaar. Jedes Paar übertrug Schlüssel über 370 Kilometer Glasfaser. Addiert ergibt das eine theoretische Gesamtreichweite von 3.700 Kilometern. Die Modulatoren erzielten dabei eine Erfolgsrate von 97,5 Prozent. Die gemessene Fehlerquote (QBER) lag selbst bei 370 Kilometern zwischen 3,50 und 4,17 Prozent.

20 Nutzer gleichzeitig – ein technischer Schritt nach vorn

Bisher beschränkten sich viele Systeme auf einfache Punkt-zu-Punkt-Verbindungen. Mehrere Teilnehmer gleichzeitig zu verbinden, galt als schwierig. Das neue Netzwerk erlaubt parallele Kommunikation von 20 Nutzern.

Zum Einsatz kommt eine Variante der Quantenschlüsselverteilung namens Twin-Field-QKD, konkret das SNS-TF-QKD-Protokoll. Sie eignet sich besonders für lange Distanzen. Gleichzeitig stellt sie hohe Anforderungen an Lichtquellen und Modulation. Die Bauteile entstanden auf industriellen Wafern. 20 der eingesetzten Chips wurden zufällig aus einer 3-Zoll-Waferproduktion ausgewählt; 117 von 120 Modulatoren arbeiteten fehlerfrei.

Projektleiter Wang Jianwei sagt: „Chipbasierte QKD-Netzwerke stellen einen bedeutenden Schritt hin zur Miniaturisierung und Praxistauglichkeit von Systemen dar.“ Auch Gong Qihuang von der Chinesischen Akademie der Wissenschaften betont die Perspektive: „Dieser Erfolg bietet eine praktikable Lösung für den Aufbau großflächiger Quantenkommunikations-Chipnetzwerke.“

Ein Gutachter bezeichnete die Arbeit laut Xinhua als „zweifellos von hoher Wirkung für die Gemeinschaft der Quantenkommunikation.“

Deutschland erreichte 254 Kilometer – China geht deutlich weiter

Auch in Deutschland gelang zuletzt ein wichtiger Schritt: Über eine bestehende Glasfaserstrecke der Deutschen Telekom zwischen Frankfurt und Kehl übertrugen Forscher Quanten-Schlüssel über 254 Kilometer – ohne Spezialleitungen. Die Schlüsselrate lag bei 110 Bit pro Sekunde.

Doch während in Deutschland zwei Stationen über eine einzelne Strecke kommunizierten, demonstriert das chinesische Team ein skalierbares Mehrnutzer-Netz mit 20 Chips und einer rechnerischen Gesamtleistung von 3.700 Kilometern.

Warum Staaten massiv in Quantenkommunikation investieren und China Tempo macht

Quantenkommunikation überträgt Verschlüsselungsschlüssel mithilfe von Quantenzuständen. Jeder Abhörversuch verändert das Signal messbar. Damit entsteht ein hohes Sicherheitsniveau. Staaten investieren deshalb massiv in diese Technologie.

China verfolgt seit Jahren ehrgeizige Programme im Bereich Quantenforschung. Mit dem neuen Netzwerk positioniert sich das Land erneut sichtbar im internationalen Wettbewerb. Die Demonstration zeigt, dass sich bestehende Glasfaser-Infrastruktur nutzen lässt. Das erleichtert perspektivisch den Aufbau interstädtischer Netze.

Noch arbeitet das System unter kontrollierten Laborbedingungen. Einzelphotonen-Detektoren und zusätzliche Frequenzkanäle sollen künftig direkt integriert werden. Die aktuelle Demonstration gilt ausdrücklich als „Proof-of-Principle“ unter Laborbedingungen.

Kurz zusammengefasst:

• In Nature berichten Forscher aus Peking über ein integriertes Quantennetz mit 20 Chip-Knoten, das über 370 km Glasfaser arbeitet und rechnerisch 3.700 km Netzwerkleistung erreicht – ohne vertrauenswürdige Relaisstationen.
• Bei 370 km überschreiten alle Verbindungen die PLOB-Grenze ohne Repeater, erreichen eine Fehlerquote von 3,50–4,17 Prozent und steigern die Schlüsselrate um bis zu 251 Prozent gegenüber dem bisherigen theoretischen Limit.
• Zum Vergleich: In Deutschland gelangen zuletzt 254 km über bestehende Telekom-Glasfaser – China demonstriert nun erstmals ein skalierbares Mehrnutzer-System mit industriell gefertigten Chips.

Übrigens: Während China die Reichweite der Quantenkommunikation massiv ausbaut, verbinden Oxford-Forscher zwei Quantencomputer per Teleportation zu einem gemeinsamen System. Wie daraus ein echtes Quanteninternet entstehen könnte, erklärt unser Artikel.

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