Technologische Entwicklung war stets eng mit verfügbaren Ressourcen verknüpft – von Materialien und Energie bis hin zu Information und Daten. Mit dem Aufkommen der Quantentechnologien könnte eine weitere Ressource an Bedeutung gewinnen: Quanteninformation. Darunter verstehen Forschende die Speicherung, Verarbeitung und Übertragung von Informationen in Quantenzuständen, etwa einzelner Lichtteilchen oder anderer Quantensysteme. Gemeinsam mit der sogenannten Verschränkung eröffnet sie langfristig neue Möglichkeiten für sichere Kommunikation, verteiltes Quantencomputing oder hochpräzise Sensornetzwerke. Quantenrepeater gelten als vielversprechender Ansatz, um diese Ressource über große Entfernungen nutzbar zu machen.

Anders als klassische Telekommunikationssignale lässt sich Quanteninformation aufgrund quantenmechanischer Prinzipien nicht beliebig kopieren oder verstärken. Dadurch sind heutige Ansätze der Quantenkommunikation in ihrer Reichweite und Skalierbarkeit begrenzt. Quantenrepeater sollen diese Einschränkung überwinden, indem sie die Verteilung von Verschränkung über größere Distanzen ermöglichen. Sie gelten daher als wichtige Voraussetzung für leistungsfähige Quantennetzwerke der Zukunft.

Anwendungen reichen von sicherer Kommunikation bis zum »Quanteninternet«

Die von Forschenden des Fraunhofer ISI und der Universität des Saarlandes erarbeitete Studie »Quantum Repeaters – A Technology Roadmap« basiert auf einer umfassenden Analyse wissenschaftlicher Literatur, auf Interviews sowie einem Roadmapping-Workshop mit 22 Expert:innen aus Wissenschaft und Industrie. Ziel war es, den technologischen Entwicklungsstand zu erfassen, zentrale Herausforderungen zu identifizieren und mögliche Entwicklungspfade aufzuzeigen.

Als wichtigste kurzfristige Anwendung sehen die Autor:innen die Erweiterung der Reichweite quantensicherer Kommunikation mittels Quantenschlüsselverteilung. Langfristig könnten Quantenrepeater darüber hinaus räumlich getrennte Quantencomputer miteinander verbinden und damit verteiltes Quantencomputing, den Aufbau eines sogenannten »Quanteninternets« ermöglichen. Auch für Quantensensornetzwerke, etwa bei hochpräzisen Zeit- und Messsystemen, eröffnen sich potenzielle Anwendungsfelder.

»Quantenrepeater könnten künftig eine ähnliche Rolle für Quantennetzwerke spielen wie klassische Repeater für heutige Telekommunikationsnetze – allerdings auf Basis völlig anderer physikalischer Prinzipien«, erklärt Dr. Lukas Weymann vom Fraunhofer ISI, Erstautor der Studie. »Sie ermöglichen langfristig den Zugang zu einer neuen Ressource: verteilter Verschränkung. Welche Anwendungen daraus letztlich entstehen und wie tiefgreifend unsere Technologielandschaft verändert wird, lässt sich heute noch nicht vollständig absehen.«

Viele technologische Ansätze – noch keine dominante Plattform

Die Roadmap zeigt, dass sich die Forschung weltweit dynamisch entwickelt. Gleichzeitig befindet sich das Technologiefeld noch in einer frühen Phase. Verschiedene Hardware-Plattformen – darunter Farbzentren in Diamant, einzelne oder große Ensembles gefangener Atome und Ionen, Seltenerd-Ionen oder Quantenpunkte – werden derzeit intensiv untersucht.

Ein zentrales Ergebnis der Analyse lautet: Bislang hat sich keine Plattform eindeutig durchgesetzt. Vielmehr weisen die verschiedenen Ansätze jeweils spezifische Stärken und Herausforderungen auf, etwa hinsichtlich Speicherzeiten, Effizienz, Skalierbarkeit oder Integrationsfähigkeit. Die Studie sieht deshalb weiterhin gute Gründe, mehrere technologische Pfade parallel zu verfolgen. Auch hybride Systeme, die unterschiedliche Plattformen kombinieren, könnten perspektivisch an Bedeutung gewinnen.

Erste wichtige Demonstrationen vor 2035 erwartet

Bis zu breit verfügbaren Anwendungen sind jedoch noch erhebliche wissenschaftliche und technologische Herausforderungen zu bewältigen. Dazu zählen unter anderem die Verbesserung von Effizienz und Speicherzeiten, die Erhöhung von Übertragungsraten, die Integration in bestehende Telekommunikationsinfrastrukturen sowie Standardisierung und industrielle Skalierung.

Kurzfristig erwarten die Forschenden weitere Demonstrationen einzelner Komponenten und Netzwerkfunktionen. Noch vor 2035 könnten erstmals Quantenrepeater demonstriert werden, die Quanteninformation mit geringeren Verlusten übertragen als direkte Verbindungen. Dies wäre ein entscheidender Meilenstein auf dem Weg zu künftigen Quantennetzwerken. Die Demonstrationen von Anwendungen wie die Vernetzung entfernter Quantencomputer oder globale Quantennetzwerke werden langfristig erwartet.

»Der Weg von heutigen Labordemonstrationen bis zu kommerziell einsetzbaren Quantenrepeatern wird noch lange sein«, so Lukas Weymann. »Die Fortschritte der vergangenen Jahre zeigen jedoch, dass das Feld eine enorme Dynamik entwickelt. Um das vorhandene Potenzial voll auszuschöpfen, braucht es vielfältige Forschung über einen langen Zeitraum und eine enge Zusammenarbeit von Wissenschaft, Industrie und Politik. Die Grundvoraussetzungen für einen erfolgreichen Transfer von der Grundlagenforschung in marktfähige Anwendungen sind jedenfalls schon heute vielversprechend: Denn mit der Hightech Agenda Deutschland gibt es eine ambitionierte politische Zielsetzung, während sich national und europaweit ein Quanten-Ökosystem aus Forschungseinrichtungen, Start-ups und Unternehmen etabliert hat. Daran gilt es anzuknüpfen.«