Das Quantennetz der Zukunft: Wie Quantencomputer miteinander verbunden werden sollen
Quantencomputer könnten künftig neue Medikamente berechnen, komplexe Materialien entwickeln und bestimmte Optimierungsprobleme lösen. Doch einzelne Maschinen werden voraussichtlich nicht ausreichen. Forschende arbeiten deshalb an Quantennetzwerken, die mehrere Quantencomputer miteinander verbinden. Eine Schlüsselrolle sollen dabei sogenannte Quantenrepeater übernehmen.
Quantencomputer werden häufig als extrem schnelle Rechner beschrieben. Das ist jedoch nur teilweise richtig. Sie sollen nicht jedes Problem schneller lösen als heutige Computer. Bei bestimmten Aufgaben könnten sie aber Berechnungen ermöglichen, für die selbst leistungsfähige Supercomputer zu viel Zeit benötigen würden.
Dazu gehören vor allem die Simulation von Molekülen und Materialien, bestimmte mathematische Aufgaben sowie möglicherweise einzelne Optimierungsprobleme. Die heute verfügbaren Quantencomputer sind dafür jedoch noch nicht leistungsfähig und zuverlässig genug. Sie werden hauptsächlich für Forschungsarbeiten und Experimente eingesetzt.
Ein weiteres Problem: Es ist technisch sehr schwierig, immer größere Quantencomputer zu bauen. Je mehr Quantenbits – sogenannte Qubits – zusammenarbeiten sollen, desto schwieriger wird es, sie vor Störungen zu schützen.
Eine mögliche Lösung besteht darin, mehrere kleinere Quantencomputer miteinander zu verbinden. Aus vielen einzelnen Maschinen könnte so ein größeres Quantensystem entstehen. Dafür wird allerdings eine völlig neue Art von Netzwerk benötigt.
Was unterscheidet einen Quantencomputer von einem normalen Computer?
Ein herkömmlicher Computer verarbeitet Informationen in Form von Bits. Ein Bit kann entweder den Wert null oder eins annehmen.
Ein Qubit kann sich dagegen in einem Quantenzustand befinden, der Anteile von null und eins enthält. Bei einer Messung erhält man dennoch ein eindeutiges Ergebnis. Erst durch geschickt aufgebaute Quantenalgorithmen können solche Zustände bei bestimmten Berechnungen einen Vorteil bringen.
Darüber hinaus können mehrere Qubits miteinander verschränkt werden. Verschränkte Qubits bilden dann einen gemeinsamen Quantenzustand, selbst wenn sie räumlich voneinander getrennt sind.
Diese Verschränkung ist eine der wichtigsten Ressourcen eines künftigen Quantennetzes. Sie könnte es ermöglichen, Quantencomputer, Speicher und Sensoren über große Entfernungen miteinander zu verbinden.
Warum reicht das heutige Internet nicht aus?
Quantencomputer werden weiterhin klassische Netzwerke benötigen. Steuerbefehle, Messergebnisse und normale Daten können auch künftig über das Internet übertragen werden.
Ein unbekannter Quantenzustand lässt sich jedoch nicht einfach kopieren und verschicken. Das sogenannte No-Cloning-Theorem verbietet die perfekte Kopie eines unbekannten Quantenzustands.
Das unterscheidet Quantenkommunikation grundlegend von heutigen Glasfasernetzen. Wenn ein normales Lichtsignal auf einer langen Strecke schwächer wird, kann es von einem Verstärker gelesen, erneuert und weitergesendet werden.
Bei einem Quantensignal würde eine solche Messung den Zustand verändern oder zerstören. Klassische Signalverstärker sind deshalb nicht geeignet, um Quanteninformation über beliebig große Entfernungen zu transportieren.
Lichtteilchen gehen in Glasfasern verloren
In Quantennetzen sollen häufig einzelne Lichtteilchen, sogenannte Photonen, Informationen übertragen. Glasfasern sind dafür grundsätzlich gut geeignet. Mit zunehmender Entfernung geht jedoch ein immer größerer Teil der Photonen verloren.
Bei einer kurzen Strecke kann eine Übertragung noch oft genug gelingen. Bei sehr langen Strecken sinkt die Wahrscheinlichkeit stark, dass ein Photon das andere Ende erreicht.
Man könnte zwar so lange neue Photonen senden, bis eines ankommt. Die Übertragungsrate würde bei zunehmender Entfernung jedoch immer geringer. Für leistungsfähige Quantennetzwerke reicht dieses Verfahren nicht aus.
Hier kommen Quantenrepeater ins Spiel.
Was ist ein Quantenrepeater?
Ein Quantenrepeater ist keine einfache Verstärkerstation. Er liest die Quanteninformation nicht aus und erzeugt auch keine Kopie davon.
Stattdessen wird eine lange Verbindung in mehrere kürzere Abschnitte aufgeteilt. Zunächst versuchen zwei benachbarte Stationen, eine verschränkte Verbindung aufzubauen. Gelingt dies, speichern sie den Quantenzustand vorübergehend.
Sobald auch der nächste Abschnitt bereitsteht, können beide Teilverbindungen miteinander verknüpft werden. Dieses Verfahren wird als Entanglement Swapping bezeichnet.
Vereinfacht lässt sich das mit einer Kette vergleichen:
- Zwischen den Stationen A und B entsteht Verschränkung.
- Gleichzeitig wird zwischen B und C Verschränkung aufgebaut.
- Durch eine spezielle Messung an Station B können anschließend A und C miteinander verschränkt werden.
- Weitere Abschnitte verlängern die Verbindung Schritt für Schritt.
Auf diese Weise soll eine verschränkte Verbindung zwischen zwei weit voneinander entfernten Orten entstehen, ohne dass ein einzelnes Photon die gesamte Strecke zurücklegen muss.
Der Quantenspeicher ist entscheidend
Die verschiedenen Abschnitte einer Verbindung werden nicht immer gleichzeitig erfolgreich aufgebaut. Deshalb benötigen Quantenrepeater Speicher.
Ein Quantenspeicher muss einen empfindlichen Quantenzustand so lange bewahren, bis die benachbarten Verbindungen ebenfalls bereitstehen. Erst danach können die Teilstrecken miteinander verbunden werden.
Das klingt einfach, ist technisch aber äußerst anspruchsvoll. Der Speicher muss einen Zustand schnell aufnehmen, möglichst vollständig erhalten und anschließend zuverlässig wieder abgeben.
Eine lange Speicherzeit allein genügt nicht. Entscheidend sind mehrere Eigenschaften gleichzeitig:
- Wie viele ankommende Quantenzustände werden erfolgreich gespeichert?
- Wie stark verändert sich der Zustand während der Speicherung?
- Wie schnell kann der Speicher erneut verwendet werden?
- Lässt er sich mit Photonen in Glasfasern verbinden?
- Kann das System dauerhaft und zuverlässig betrieben werden?
Bislang erfüllt keine Technologie alle Anforderungen optimal.
Welche Materialien werden untersucht?
Weltweit arbeiten Forschungsgruppen mit sehr unterschiedlichen Quantensystemen. Dazu gehören unter anderem einzelne Atome, gefangene Ionen, künstlich erzeugte Strukturen in Halbleitern und winzige Defekte in Diamanten.
Solche Defekte können sich unter bestimmten Bedingungen ähnlich wie einzelne Atome verhalten. Sie lassen sich mit Licht ansprechen und können Quantenzustände speichern.
Weitere Ansätze verwenden Kristalle, die mit sogenannten Seltenerd-Ionen dotiert wurden, oder große Gruppen von Atomen, die gemeinsam als Speicher arbeiten.
Jede Plattform besitzt eigene Vorteile. Manche Systeme können Zustände besonders lange speichern. Andere erzeugen Photonen besonders schnell oder lassen sich besser in Halbleiterchips integrieren.
Die vom Fraunhofer ISI und der Universität des Saarlandes veröffentlichte Roadmap kommt deshalb zu dem Ergebnis, dass sich noch keine Technologie eindeutig durchgesetzt hat. Auch Kombinationen mehrerer Systeme könnten künftig eine Rolle spielen.
Was wurde bereits erreicht?
Die notwendigen Grundlagen sind nicht nur theoretische Ideen. In Laboren wurden bereits Quantenspeicher über Glasfasern miteinander verschränkt.
2024 demonstrierte ein Forschungsteam ein Netzwerk mit zwei Quantenspeichern auf Diamantbasis. Die Knoten waren über bis zu 40 Kilometer Glasfaser miteinander verbunden. Dabei kamen auch bereits verlegte Glasfaserleitungen im Raum Boston zum Einsatz.
Das Experiment zeigte, dass sich mehrere wichtige Komponenten kombinieren lassen: Quantenspeicher, Glasfaserübertragung, Fehlererkennung und die Umwandlung der Photonen auf eine für Telekommunikationsnetze besser geeignete Wellenlänge.
Ein vollständiger Quantenrepeater war dies allerdings noch nicht. Die Forschenden verbanden zwei Speicherknoten, aber noch keine längere Kette aus mehreren Repeaterstationen, die eine direkte Verbindung insgesamt übertrifft.
Auch beim verteilten Quantencomputing gibt es erste Erfolge. 2025 zeigte ein Team der Universität Oxford Berechnungen, die auf zwei über Licht miteinander verbundenen Ionenfallen-Systemen ausgeführt wurden. Die beiden Module standen allerdings nur ungefähr zwei Meter voneinander entfernt.
Damit wurde ein grundlegendes Prinzip demonstriert: Zwei getrennte Quantenprozessoren können gemeinsam an einer Berechnung arbeiten. Der Weg zu einem Netzwerk aus weit voneinander entfernten Quantencomputern ist jedoch noch erheblich länger.
Wie könnten Quantencomputer die Zukunft verändern?
Der mögliche Nutzen von Quantennetzwerken hängt stark davon ab, wie leistungsfähig Quantencomputer selbst werden. Viele häufig genannte Anwendungen sind noch Forschungsziele und keine verfügbaren Produkte.
Besonders wichtig sind vier mögliche Einsatzgebiete.
Neue Medikamente und Wirkstoffe
Moleküle gehorchen den Gesetzen der Quantenphysik. Ihre Eigenschaften mit klassischen Computern exakt zu berechnen, wird bei zunehmender Größe sehr aufwendig.
Leistungsfähige Quantencomputer könnten bestimmte Moleküle genauer simulieren. Das könnte Forschenden helfen, chemische Reaktionen und mögliche Wirkstoffe besser zu verstehen.
Ein Quantencomputer würde dabei nicht automatisch ein fertiges Medikament erfinden. Er könnte jedoch einzelne Berechnungen innerhalb der langwierigen Medikamentenentwicklung verbessern.
Ob und wann daraus ein praktischer Vorteil entsteht, ist noch offen. Die heutigen Geräte sind für umfassende, industriell relevante Molekülsimulationen noch nicht ausreichend.
Neue Materialien
Ähnliche Möglichkeiten bestehen bei der Entwicklung von Materialien. Denkbar sind genauere Berechnungen für Batterien, Katalysatoren, Solarzellen oder supraleitende Materialien.
Ein besserer Katalysator könnte beispielsweise chemische Prozesse effizienter machen und den Energieverbrauch senken. Verbesserte Batteriematerialien könnten mehr Energie speichern, länger halten oder weniger kritische Rohstoffe benötigen.
Auch hier gilt: Quantencomputer ersetzen keine Labore. Sie könnten aber helfen, vielversprechende Materialien gezielter auszuwählen, bevor diese praktisch hergestellt und getestet werden.
Größere Quantencomputer durch Vernetzung
Es ist möglicherweise nicht sinnvoll oder technisch möglich, alle benötigten Qubits in einer einzigen Anlage unterzubringen.
Ein Quantennetz könnte mehrere kleinere Prozessoren zu einem größeren Rechner verbinden. Dieses Prinzip ähnelt heutigen Rechenzentren, in denen viele Computer zusammenarbeiten.
Der entscheidende Unterschied besteht darin, dass die Quantenprozessoren nicht nur klassische Daten austauschen. Sie müssten gemeinsame verschränkte Zustände nutzen und Quantenoperationen über die Netzwerkverbindung ausführen.
Erste Experimente haben dies im kleinen Maßstab gezeigt. Für große, fehlertolerante Systeme müssen die Verbindungen jedoch noch wesentlich zuverlässiger und schneller werden.
Hochpräzise Sensornetzwerke
Quantennetze könnten außerdem mehrere Messgeräte miteinander verschränken. Dadurch könnten bestimmte Messungen theoretisch präziser werden, als es mit voneinander unabhängigen Sensoren möglich wäre.
Mögliche Anwendungen werden bei Atomuhren, Navigation, Geodäsie und der Messung sehr kleiner physikalischer Veränderungen untersucht.
Verschränkte Uhren könnten beispielsweise Zeitunterschiede mit besonders hoher Genauigkeit vergleichen. Präzise Sensoren könnten Veränderungen im Schwerefeld erfassen, die unter anderem durch geologische Strukturen verursacht werden.
Viele dieser Ideen befinden sich jedoch noch im Forschungsstadium. Welche Anwendungen tatsächlich einen praktischen Vorteil bieten, ist noch nicht abschließend geklärt.
Werden Quantencomputer unsere Verschlüsselung knacken?
Ein ausreichend großer und fehlerkorrigierter Quantencomputer könnte bestimmte heute verwendete Verschlüsselungsverfahren angreifen. Besonders betroffen wären Verfahren, deren Sicherheit auf der Schwierigkeit der Zerlegung großer Zahlen oder verwandter mathematischer Probleme beruht.
Ein solcher kryptografisch relevanter Quantencomputer existiert bislang nicht. Dennoch werden Computersysteme bereits auf neue Verschlüsselungsverfahren vorbereitet.
Die sogenannte Post-Quanten-Kryptografie verwendet klassische Algorithmen, die auch Angriffen durch künftige Quantencomputer widerstehen sollen. Dafür werden weder Quantencomputer noch Quantennetze benötigt. Das US-amerikanische NIST hat 2024 erste entsprechende Standards veröffentlicht.
Davon zu unterscheiden ist die Quantenschlüsselverteilung. Bei ihr werden Quanteneffekte genutzt, um Schlüssel zwischen zwei Stellen auszutauschen. Quantenrepeater könnten solche Verbindungen eines Tages über größere Entfernungen ermöglichen, ohne dass jeder Zwischenstation vertraut werden muss.
Post-Quanten-Kryptografie und Quantenkommunikation sind somit zwei unterschiedliche Wege, um Kommunikation gegen künftige Bedrohungen abzusichern.
Entsteht ein neues Quanteninternet?
Der Begriff „Quanteninternet“ vermittelt leicht ein falsches Bild. Es geht nicht darum, das heutige Internet vollständig zu ersetzen oder Webseiten in Quantenzuständen zu übertragen.
Ein Quantennetz wäre vielmehr eine zusätzliche Infrastruktur. Sie könnte verschränkte Zustände zwischen Quantencomputern, Speichern und Sensoren bereitstellen.
Das klassische Internet bliebe weiterhin erforderlich. Die Steuerung der Geräte, die Übermittlung von Messergebnissen und der größte Teil der gewöhnlichen Kommunikation würden auch künftig über klassische Netzwerke laufen.
Ein Quanteninternet wäre deshalb eher eine Ergänzung als ein Nachfolger des heutigen Internets.
Wann könnten Quantenrepeater eingesetzt werden?
Die Fraunhofer-Roadmap erwartet in den kommenden Jahren zunächst weitere Demonstrationen einzelner Bauteile und kleiner Netzwerke.
Ein wichtiger Meilenstein wäre ein Repeater, der eine verschränkte Verbindung unter vergleichbaren Bedingungen zuverlässiger oder verlustärmer aufbauen kann als eine direkte Glasfaserverbindung. Ein solcher praktischer Vorteil wurde bislang noch nicht vollständig nachgewiesen.
Nach Einschätzung der an der Roadmap beteiligten Fachleute könnte eine entsprechende Demonstration vor 2035 gelingen. Dabei handelt es sich jedoch um eine wissenschaftliche Entwicklungsprognose und nicht um einen feststehenden Einführungstermin.
Danach wären weitere Schritte notwendig: standardisierte Bauteile, zuverlässige Serienfertigung, langfristiger Netzbetrieb, gemeinsame Übertragungsprotokolle und bezahlbare Geräte.
Große Quantennetzwerke, die Städte, Länder oder Kontinente verbinden, sind daher nicht unmittelbar zu erwarten.
Quantencomputer werden normale Computer nicht ersetzen
Auch leistungsfähige Quantencomputer werden voraussichtlich keine gewöhnlichen Computer ersetzen.
Für Textverarbeitung, Webseiten, Datenbanken, Videowiedergabe oder die meisten alltäglichen Berechnungen bieten klassische Computer weiterhin die geeignetere Technik. Quantencomputer sind Spezialmaschinen, die nur bei bestimmten Problemarten Vorteile versprechen.
Wahrscheinlicher ist deshalb eine Arbeitsteilung. Ein klassischer Computer bereitet eine Aufgabe vor und übergibt einen besonders geeigneten Teil an einen Quantenprozessor. Anschließend verarbeitet der klassische Rechner dessen Ergebnisse weiter.
Nutzer müssten dabei nicht unbedingt direkten Zugang zu einem eigenen Quantencomputer besitzen. Ähnlich wie heutige Cloud-Dienste könnten Quantenrechner in spezialisierten Rechenzentren betrieben werden.
Fazit
Quantencomputer könnten langfristig bei der Erforschung von Medikamenten, Materialien und komplexen Quantensystemen helfen. Ob sie auch bei wirtschaftlichen Optimierungsproblemen entscheidende Vorteile erreichen, ist noch nicht ausreichend belegt.
Die heutigen Geräte sind störanfällig und können nur begrenzte Berechnungen ausführen. Ein Weg zu leistungsfähigeren Systemen könnte darin bestehen, mehrere Quantenprozessoren miteinander zu vernetzen.
Dafür sollen Quantenrepeater verschränkte Zustände über größere Entfernungen verteilen. Wichtige Bestandteile wurden bereits im Labor demonstriert. Ein vollständiger, praktisch nutzbarer Repeater, der eine direkte Verbindung übertrifft, existiert jedoch noch nicht.
Quantencomputer und Quantennetze werden die Zukunft daher wahrscheinlich nicht durch einen plötzlichen technischen Durchbruch verändern. Realistischer ist eine schrittweise Entwicklung: bessere Prozessoren, zuverlässigere Speicher, erste vernetzte Systeme und anschließend spezialisierte Anwendungen.
Ob daraus eines Tages ein weltweites Quanteninternet entsteht, ist offen. Sicher ist bislang nur, dass die dafür benötigten Grundlagen heute in Laboren entwickelt werden.
Quellenverweis für den Artikel
Quellen: Grundlage des Artikels ist die im Juli 2026 veröffentlichte Studie „Quantum Repeaters – A Technology Roadmap“ des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung und der Universität des Saarlandes. Ergänzend wurden wissenschaftliche Veröffentlichungen zu Quantenspeichern, Quantennetzwerken und verteiltem Quantencomputing sowie Informationen des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology zur Post-Quanten-Kryptografie ausgewertet.
Zu den zentralen Quellen gehören:
- Fraunhofer ISI: „How can quantum information be transmitted over long distances in the future?“, veröffentlicht am 30. Juli 2026. Die Roadmap bewertet verschiedene Repeater-Technologien und nennt Demonstrationen eines die Direktübertragung übertreffenden Systems vor 2035 als möglichen Entwicklungsschritt.
- Nature, 2024: „Entanglement of nanophotonic quantum memory nodes in a telecom network“. Demonstriert wurde ein Netzwerk aus zwei diamantbasierten Quantenspeicherknoten über bis zu 40 Kilometer Glasfaser.
- Nature, 2025: „Distributed quantum computing across an optical network link“. Zwei etwa zwei Meter voneinander entfernte Ionenfallen-Module führten gemeinsam Quantenberechnungen aus.
- Nature, 2026: „Long-lived remote ion–ion entanglement for scalable quantum networks“. Dabei wurden zwei Ionenspeicher über zehn Kilometer Glasfaser verschränkt.
- NIST: 2024 wurden die ersten drei endgültigen Standards für Post-Quanten-Kryptografie veröffentlicht. Diese klassische Verschlüsselungstechnik ist von Quantenkommunikation und Quantenschlüsselverteilung zu unterscheiden.
- Titelbild: KI generiert
