Theorie

Quantenkommunikation mittels Transfer quantenoptischer Lichtzustände durch Glasfasern ist momentan nur möglich für ausreichend kleine Distanzen, da die Wahrscheinlichkeit eines Photonenverlusts exponentiell mit der Faserlänge anwächst. Ohne Zwischenstationen stellt dies eine fundamentale Begrenzung dar, insbesondere auch für die Quantenkryptografie über große Distanzen. Das klassische Konzept der Wiederverstärkung durch Repeater-Stationen entlang des Faserkanals ist nicht anwendbar, da ein Quantenverstärker dem quantenmechanischen No-Cloning-Theorem widerspricht.

Vor der Übertragung von Quanteninformation können aber verschränkte Zustände zunächst über einzelne, ausreichend kleine Repeater-Segmente verteilt, qualitativ verbessert (gereinigt) und von Station zu Station verknüpft werden. Die resultierende Verschränkung über den Gesamtkanal kann dann für großskalige Anwendungen benutzt werden (z.B. Quantenschlüsselverteilung über große Distanzen, wobei die Repeater-Stationen dann keinerlei Sicherheitsbeschränkungen unterliegen). Theoretisch gibt es dieses Konzept eines Quantenrepeaters seit 20 Jahren. Experimentelle Demonstrationen mit echtem und evidentem Quantenrepeater-Vorteil gegenüber einer direkten Transmission von Quantenzuständen lassen jedoch immer noch auf sich warten.

Bereits bei kleinskaligen Quantenrepeater-Demonstratoren (z.B. mit zwei Segmenten und einer Mittelstation) können sich die Vor- und Nachteile verschiedener Hardware-Plattformen (wie eben Atome, Diamanten und Quantenpunkte in Q.Link.X) in der Quantenrepeater-Performance auf unterschiedliche Weise manifestieren. Daher ist es essentiell den Einfluß der verschiedenen experimentellen Parameter auf das gesamte Repeatersystem abzubilden entsprechend dem Design und der Modellierung eines solchen Systems. Die Plattformen können auf diese Weise in Bezug auf Ressourcen und Kosten verglichen und deren Repeater-Performance bezüglich bestimmter Protokolle auch optimiert werden.

Simulationen können eine perspektivische Beurteilung größerer Repeatersysteme liefern, bei denen die Demonstrator-Elemente modular zusammengesetzt werden. Dies ermöglicht auch eine Extrapolation der zukünftigen (oder gar ultimativen) Performance eines großskaligen Quantenrepeaters bei Verbesserung der Hardware-Parameter. Hierbei müssen bei quantenkryptografischen Anwendungen auch Sicherheitsaspekte berücksichtigt werden. Da langfristig auch eine Einbettung der Quantenkommunikation in öffentliche Netze angestrebt wird, müssen letztlich auch damit einhergehende Aspekte (z.B. Fehler durch anderweitige Nutzung oder Regulierungen durch öffentliche Netzbetreiber) miteinbezogen werden.