Glossar

Ein Atom ist der kleinste Baustein der Materie, der noch die chemischen Eigenschaften eines Elements besitzt. Es besteht aus einem zentralen Atomkern, der positiv geladene Protonen und neutrale Neutronen enthält, sowie einer Hülle aus negativ geladenen Elektronen, die den Kern umkreisen. Die Anzahl der Protonen im Kern bestimmt, um welches chemische Element es sich handelt. Atome sind die Grundbausteine, aus denen alle Stoffe bestehen, und durch Bindungen zwischen Atomen entstehen Moleküle.

Eine mathematische Ungleichung, die von John Bell entwickelt wurde, um zu testen, ob Quantenmechanik oder klassische Physik besser die Realität beschreibt. Verstöße gegen die Bell'sche Ungleichung zeigen, dass die Quantenmechanik (und damit die Quantenverschränkung) korrektere Vorhersagen liefert als klassische Theorien. Experimente, die Bell'sche Ungleichungen testen, sind grundlegende Tests der Quantenkommunikation.

Dekohärenz beschreibt den Prozess, bei dem ein Quantensystem seine quantenmechanischen Eigenschaften verliert, oft durch Wechselwirkungen mit der Umgebung. Dies führt dazu, dass Superpositionen kollabieren und das System sich wie ein klassisches System verhält. In der Quantenkommunikation ist Dekohärenz eine der größten Herausforderungen, da sie die Integrität der übertragenen Quanteninformationen beeinträchtigen kann.

Ein Elektron ist ein subatomares Teilchen mit negativer elektrischer Ladung. Es ist eines der grundlegenden Bausteine der Materie und befindet sich normalerweise in der "Hülle" eines Atoms, wo es den Atomkern umkreist. Elektronen sind entscheidend für chemische Reaktionen und die Stromleitung, da sie sich relativ frei in bestimmten Materialien bewegen können.

Freistrahllinks bezieht sich auf eine Methode zur drahtlosen Übertragung von Daten, bei der Lichtstrahlen, meist im Infrarot- oder sichtbaren Bereich, durch die Luft geschickt werden. Dies wird oft als optische Freistrahlkommunikation bezeichnet. Dabei handelt es sich um eine Technologie, die Daten mit Licht, statt mit Funksignalen, überträgt.

"Inhärent" bedeutet, dass etwas von Natur aus oder wesensmäßig zu einer Sache gehört. Es beschreibt Eigenschaften, die unverzichtbar oder untrennbar mit einem bestimmten Objekt, Konzept oder Zustand verbunden sind. Zum Beispiel könnte man sagen, dass "Veränderung inhärent zum Leben gehört," was bedeutet, dass Veränderung ein grundlegender und natürlicher Teil des Lebens ist.

Der Nanokosmos bezieht sich auf den extrem kleinen Bereich der Materie im Größenmaßstab von Nanometern, also Milliardenstel Metern (1 nm = 10⁻⁹ Meter). In diesem Bereich bewegen sich Atome, Moleküle und Strukturen, die kleiner als 100 Nanometer sind. Der Nanokosmos ist wichtig in Bereichen wie der Nanotechnologie, Biologie und Physik, weil hier spezielle Effekte auftreten, die in der "normalen" Welt nicht sichtbar sind, wie etwa Quantenphänomene und veränderte Materialeigenschaften.

Das No-Cloning-Theorem ist ein fundamentales Gesetz der Quantenmechanik, das besagt, dass es unmöglich ist, einen unbekannten Quantenzustand perfekt zu kopieren. Dies ist wichtig für die Quantenkommunikation, da es garantiert, dass Informationen nicht unbemerkt vervielfältigt oder abgefangen werden können. Jeder Versuch, ein Qubit zu kopieren, führt zu einer Störung des Systems und macht den Abhörversuch erkennbar.

Ein Photon ist das kleinste Elementarteilchen des Lichts und trägt elektromagnetische Energie, weswegen sie auch Lichtquanten genannt werden. In der Quantenkommunikation werden Photonen verwendet, um Qubits über weite Entfernungen zu übertragen, häufig durch Glasfasern oder Satellitenverbindungen. Aufgrund ihrer geringen Wechselwirkung mit der Umgebung sind Photonen besonders gut geeignet, um Informationen verlustfrei zu transportieren.

Polarisation bezieht sich auf die Ausrichtung der Schwingungen von Lichtwellen. In der Quantenkommunikation wird die Polarisation von Photonen häufig verwendet, um Qubits darzustellen. Unterschiedliche Polarisationen können genutzt werden, um Informationen zu codieren, die dann sicher übertragen werden.

Post-Quanten-Kryptographie bezeichnet kryptografische Verfahren, die sicher gegen Angriffe von Quantencomputern sind. Quantencomputer könnten viele der heute gängigen Verschlüsselungsmethoden leicht knacken, weil sie bestimmte mathematische Probleme (z. B. Faktorisierung großer Zahlen) viel schneller lösen können als klassische Computer. Post-Quanten-Kryptographie entwickelt daher neue Algorithmen, die auch mit der Rechenleistung von Quantencomputern nicht leicht zu brechen sind.

Quanten sind die kleinsten, nicht weiter teilbaren Einheiten bestimmter physikalischer Größen, wie Energie oder Licht. Sie bilden das Fundament der Quantenphysik, die sich mit den Gesetzen auf kleinster Ebene, also im Bereich von Atomen und subatomaren Teilchen, beschäftigt.

QKD ist eine Methode zur sicheren Übermittlung von Verschlüsselungsschlüsseln unter Verwendung von Qubits. Dabei werden Photonen (Lichtteilchen) mit unterschiedlichen Polarisationen verwendet, um den Schlüssel zu übertragen. Da jeder Abhörversuch die Quanteninformation verändert, kann die Sicherheit der Übertragung garantiert werden. Die bekannteste QKD-Methode ist das BB84-Protokoll, benannt nach seinen Entwicklern Bennett und Brassard.

Quanten-Teleportation bezieht sich auf die Übertragung von Quanteninformation von einem Ort zum anderen, ohne dass physische Teilchen bewegt werden. Diese Übertragung wird durch Quantenverschränkung ermöglicht. Die Quanten-Teleportation überträgt die Eigenschaften eines Quants, wie zum Beispiel den Spin eines Elektrons, an ein anderes Teilchen, das sich an einem weit entfernten Ort befindet.

Ein Qubit ist die kleinste Informationseinheit in der Quantenkommunikation. Im Gegensatz zu einem klassischen Bit, das entweder 0 oder 1 sein kann, ermöglicht ein Qubit dank der Superposition beide Zustände gleichzeitig anzunehmen. Diese Eigenschaft erlaubt es Quantencomputern, viele Berechnungen parallel durchzuführen und ist entscheidend für die Effizienz und Sicherheit der Quantenkommunikation.

Ein Computer, der die Gesetze der Quantenmechanik nutzt, um Berechnungen durchzuführen. Quantencomputer nutzen Qubits und sind in der Lage, bestimmte Probleme viel schneller zu lösen als klassische Computer. In der Quantenkommunikation könnten Quantencomputer für Verschlüsselung und sichere Datenübertragung eingesetzt werden.

Quanteninterferenz ist ein Phänomen, das auftritt, wenn Quantenobjekte, wie Lichtquanten oder Elektronen, auf einander treffen und ihre Wellenfunktionen sich überlagern. Diese Überlagerung kann zu Verstärkung oder Auslöschung der Wellen führen, was zu charakteristischen Interferenzmustern führt. Dies ist vergleichbar mit den Interferenzmustern, die man von klassischen Wellen, wie Wasserwellen oder Schallwellen, kennt.

Ein hypothetisches globales Netzwerk, das auf den Prinzipien der Quantenkommunikation basiert. Ein Quanteninternet würde es ermöglichen, verschränkte Qubits weltweit zu übertragen, was extrem sichere Kommunikation und die Nutzung von Quantencomputern in einem globalen Netzwerk ermöglichen würde.

Ein Quantenkanal ist der physische oder virtuelle Kommunikationsweg, über den Quanteninformationen (wie verschränkte Photonen) übertragen werden. Ein Quantenkanal kann durch Glasfaserleitungen, Satelliten oder sogar durch die freie Luft verlaufen. Ein Quantenkanal muss besonders gut abgeschirmt sein, da die Quanteninformationen empfindlich auf Störungen reagieren.

Quantenkryptografie nutzt die Prinzipien der Quantenmechanik, um Daten so zu verschlüsseln, dass sie nicht abgefangen oder unbemerkt manipuliert werden können. Ein Hauptansatz ist die Quanten-Schlüsselverteilung (QKD), bei der ein Schlüssel zwischen zwei Parteien ausgetauscht wird. Jeder Abhörversuch würde den Quantenzustand der übermittelten Information verändern, was sofort auffällt.

Ein Quantenrepeater ist ein Gerät, das zur Überbrückung von Entfernungen in einem Quantenkommunikationsnetzwerk verwendet wird. Da Quanteninformationen über große Distanzen anfällig für Verluste und Fehler sind, werden Quantenrepeater benötigt, um die Signalqualität zu verbessern und die Reichweite der Kommunikation zu erhöhen, ohne die Quanteninformationen zu zerstören.

Ein Gerät, das in der Lage ist, Quanteninformationen von einem Quantenkanal zu einem anderen weiterzuleiten, ohne die Quanteninformation zu zerstören. Quantenrouter sind für den Aufbau von Quanten-Netzwerken entscheidend, um Quantenkommunikation über große Distanzen zu ermöglichen.

Ein Verschlüsselungsschlüssel, der mit Quantenkryptografie generiert und ausgetauscht wurde. Da dieser Schlüssel durch Quantenmechanik gesichert ist, ist er im Vergleich zu klassischen Schlüsseln äußerst sicher vor Abhörversuchen.

Ein Quantensprung bezeichnet in der Quantenphysik den plötzlichen Übergang eines Elektrons von einem Energiezustand auf einen anderen innerhalb eines Atoms. Dabei "springt" das Elektron ohne Zwischenstufen von einer festgelegten Energiebahn auf eine andere. Dieser Vorgang erfolgt, wenn das Elektron Energie aufnimmt oder abgibt, meist in Form von Licht. Obwohl "Quantensprung" oft als etwas Großes verwendet wird, handelt es sich in der Physik um eine winzige, aber sehr präzise Veränderung auf atomarer Ebene.

Dieses Prinzip besagt, dass ein Quantenobjekt sich nicht in einem einzigen, klar definierten Zustand befindet. Stattdessen kann es sich in einer Mischung mehrerer möglicher Zustände befinden. Stellen Sie sich vor, ein Quantenobjekt, wie ein Elektron oder Photon, kann sich gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden – fast wie eine Münze, die vor dem Wurf gleichzeitig Kopf und Zahl zeigen könnte.

Quantenverschränkung beschreibt die besondere Verbindung zwischen zwei oder mehr Quantenobjekten, bei der die Zustände dieser Objekte unabhängig von der Entfernung zueinander unmittelbar miteinander verknüpft sind. Ändert sich der Zustand eines verschränkten Teilchens, ändert sich auch der Zustand des anderen – sofort und ohne Verzögerung. Diese Eigenschaft wird in der Quantenkommunikation verwendet, um Informationen über große Distanzen zu übertragen, ohne dass klassische Signalübermittlung nötig ist.

Die "subatomare Ebene" bezieht sich auf den Bereich der Physik, der sich mit Teilchen beschäftigt, die kleiner als ein Atom sind. Dazu gehören Elektronen, Protonen, Neutronen und andere elementare Teilchen wie Quarks und Neutrinos. Diese Ebene beschreibt Prozesse und Phänomene, die auf der Skala von Atomen und deren Bausteinen stattfinden und von der Quantenmechanik beherrscht werden, wo die klassischen physikalischen Gesetze oft nicht mehr gelten.

Superposition ist ein zentrales Konzept der Quantenmechanik, das besagt, dass sich ein Quantenobjekt (z. B. ein Qubit) gleichzeitig in mehreren Zuständen befinden kann. Ein Qubit kann somit gleichzeitig den Wert 0 und 1 annehmen, bis eine Messung durchgeführt wird. In der Quantenkommunikation wird diese Eigenschaft genutzt, um komplexe Informationen auf effiziente Weise zu übertragen.