Kommunikation
Zum Bereich der Quantenkommunikation gehören Anwendungen mit unterschiedlichen zentralen Vorteilen: sicherheitsorientierte Anwendungen wie der Quantenschlüsselaustausch und Quantenkryptographie-Protokolle ebenso wie Anwendungen zur Steigerung der Leistungsfähigkeit, z. B. Quantenteleportation für die Übermittlung von Quantenzuständen, verteilte Quanten-Computing-Systeme und miteinander verknüpfte Quantensensoren. In der Praxis ist derzeit vor allem der Quantenschlüsselaustausch von Bedeutung, der die Vertraulichkeit, Integrität und Authentizität des Datenaustauschs ermöglicht und sicherstellt.
Optische Realisierung
Die optische Realisierung ist ein hoch spezialisierter Nischenbereich der Quantenkommunikation. Zu diesem Gebiet gehören technische Anpassungen sowie physische Bauteile und Geräte, die für eine bessere Stabilität und Effizienz sowie geringere Fehlerquoten bei der Übermittlung von Quanteninformationen über optische Systeme sorgen sollen. Solche Systeme nutzen Photonen, also Lichtteilchen, um Quanteninformationen zu erzeugen, zu manipulieren, zu übertragen und zu messen.
Quantenmemory
Quantenmemory dient dazu, die Kohärenz von Quantenzuständen über längere Zeit hinweg zu halten. Das ist für eine Kommunikation über größere Entfernungen hinweg wichtig (z. B. über satellitenbasierte Netze oder Netze mit nicht als vertrauenswürdig eingestuften Nodes). Wie klassische Memory-Funktionen dienen sie als Quanteninformationenspeicher, die auf Anfrage wieder abgerufen werden können. Solche Komponenten sind notwendig, um der Signalverschlechterung entgegenzuwirken, die bisher ein Hindernis für eine Quantenkommunikation über größere Entfernungen hinweg darstellt. Insbesondere dürften sie (künftig) in Quanten-Repeatern und Schaltern eingesetzt werden.
Quantenschlüsselaustausch
Mithilfe des Quantenschlüsselaustauschs können [zwei Parteien] eine gemeinsame geheime Abrede treffen (z. B. einen Kryptographie-Schlüssel), die auf Quantenzuständen beruht. In der Regel werden dafür Photonen und optische Kanäle verwendet. Der zentrale Vorteil des Quantenschlüsselaustauschs besteht darin, dass jedes Abhören durch eine Veränderung der zugrundeliegenden Quantenzustände entdeckt werden kann.
Informationsnetze
Als Informationsnetz wird ein System bezeichnet, das Informationen und Daten sammelt, verarbeitet, überträgt und verbreitet, zum Beispiel durch die Vernetzung von Computern. Wie ein klassisches Computernetzwerk, das Übertragungswege, Hubs, Server, Router und Schalter erfordert, benötigen auch Netzwerkarchitekturen, die Quantengeräte (Computer, Sensoren) mithilfe von Quantenzuständen (in der Regel Photonen) verbinden, besondere Bauteile, die quantenbasierte Daten speichern, übertragen und weiterleiten können. Diese Bauteile sollen in der Zukunft das Rückgrat eines "Quanten-Internet" bilden.