Sichere Kommunikation mit Quanten

Je stärker die Digi­talisierung voran­schreitet, umso mehr gewinnen Daten­sicherheit und sichere Kommunikation an Bedeutung. Für diese Ziele ist die Quanten­kommunikation ein vielver­sprechender Ansatz: Als Informations­träger nutzt sie Quanten­zustände, die aufgrund funda­mentaler physi­kalischer Gesetze weder kopiert noch unbemerkt mitgelesen werden können. Um den Aufbruch in die Quanten­technologie zu unterstützen, fördert das Bundes­ministerium für Bildung und Forschung BMBF das neue Verbund­projekt „Quanten-Link-Erweiterung“ (Q.Link.X). Es stellt dafür in den kommenden drei Jahren 14,8 Millionen Euro bereit. „Das Ziel sind physi­kalisch abhör­sichere Netzwerke auf der Basis von Glasfasern“, sagt Dieter Meschede vom Bonner Institut für Angewandte Physik und Sprecher des Verbund­projekts.

Der Paradigmen­wechsel in der Daten- und Nachrichten­verschlüsselung – weg von algo­rithmischen Verfahren, hin zur Quanten­technologie – stößt jedoch an Grenzen: Bei der Übertragung von Quanten­information mit Photonen kommt es zu unver­meidbaren Leitungs­verlusten. Dadurch sind die Übertragungs­strecken bisher auf weniger als hundert Kilometer begrenzt. „Mit Quanten­repeatern soll diese Grenze ohne Sicherheits­einschränkungen überwunden werden“, sagt Meschede. Repeater empfangen Signale und senden sie in aufbe­reiteter Form weiter, um die Reichweite der Signale zu erhöhen und eine größere Distanz zu überbrücken. Die Entwicklung solcher Quanten­repeater soll im Projekt voran­getrieben werden.

Drei verschiedene technische Platt­formen kommen hierfür zum Einsatz: Quanten­punkte, Diamant-Farbzentren und eine Kombi­nation aus atomaren und ionischen Systemen. Damit sollen Übertragungs­strecken von zunächst bis zu zehn oder hundert Kilometern realisiert und die Vorteile der jeweiligen Systeme einander gegenüber­gestellt werden. „In Q.Link.X werden erstmals nicht nur einzelne Komponenten eines Quanten­repeaters, sondern komplette Kommunikations­strecken erforscht und entwickelt“, sagt Meschede. Diese Arbeiten sollen eine Tech­nologie vorbereiten, mit der sich später auch viel längere Strecken über­brücken lassen – von einigen hundert bis zu einigen tausend Kilometern über Glasfasern.

Die Julius-Maximilians-Univer­sität Würzburg JMU erhält aus dem Verbund­projekt mehr als 1,2 Millionen Euro. Auf dem Hubland-Campus wird unter der Leitung von Sven Höfling am Lehrstuhl für technische Physik daran gearbeitet, ein Segment für Quanten­repeater zu bauen, das auf Halbleiter­quantenpunkten in Mikro­türmchen basiert. Das Projektteam entwirft und baut die Mikro­türmchen und fügt sie am Ende in die Kommunikations­strecke ein. In den Quantenpunkten der Türmchen wird Quanten­information aus einem Photon gespeichert, anschließend ausgelesen und wieder in ein Photon codiert. „Durch die Interferenz von zwei Photonen, die von zwei entfernten Quanten­punkten stammen, kann ein verschränkter Quanten­zustand erzeugt werden, der zugleich in den beiden entfernten Quanten­punkten existiert“, sagt Physiker Tobias Huber. Dieser Zustand kann anschließend an beiden Quanten­punkten wieder ausgelesen werden. In einem Netzwerk sollte sich dieser Zustand dann sequenziell von Repeater zu Repeater weiter­geben lassen – so müssten beliebige Distanzen über­brückbar sein.

Die enge Einbindung indus­trieller Partner und Berater soll die Realisier­barkeit aus industrieller und ingenieurs­technischer Sicht von vornherein erleichtern. Die Ergebnis­verwertung in Deutschland soll durch Patente und Ausgrün­dungen des Konsortiums gesichert werden. Im Q.Link.X-Verbund haben sich 24 Partner aus Forschungs­einrichtungen von Univer­sitäten bis zu Industrie­labors zusammen­gefunden, um die Schlüssel­technologie der Quanten­repeater zu erforschen.

JMU / JOL