29.09.2022

Teststrecke für Quantenschlüssel

Quantenschlüssel erfolgreich auf faserbasierter Strecke zwischen Jena und Erfurt ausgetauscht.

Es ist ein Meilenstein für die Erforschung der hochsicheren Quanten­kommunikation in Thüringen und Deutschland: Auf einer Teststrecke zwischen Jena und Erfurt ist es zum ersten Mal gelungen, erfolgreich Quanten­schlüssel über eine Distanz von 75 Kilometer via Glasfaser auszutauschen. Mehr als 300.000 Quanten-Keys wurden über einen Test­zeitraum von zehn Tagen zwischen den Thüringer Städten verschickt.

 

Abb.: Das Team der Quantum Optics Jena GmbH hat zum ersten Mal erfolgreich...
Abb.: Das Team der Quantum Optics Jena GmbH hat zum ersten Mal erfolgreich Quanten­schlüssel auf der Test­strecke ausgetauscht. (Bild: W. Oppel / Fh.-IOF)

Bereits im Frühjahr dieses Jahres war die Teststrecke, gefördert aus Mitteln des Landes, fertig­gestellt worden. Sie verbindet das Fraunhofer IOF in Jena mit dem Fraunhofer Zentrum für mikro­elektronische und optische Systeme für die Biomedizin (MEOS) in Erfurt. Mit den jüngsten Testläufen wurde sie nun erfolgreich in Betrieb genommen.

Thüringens Wirtschaftsminister Wolfgang Tiefensee zeigt sich über die Inbetriebnahme hocherfreut: „Thüringen ist einer der führenden Standorte im Bereich der Quantenkommunikation. Als Land investieren wir seit Jahren gezielt in den Ausbau dieser Kompetenzen. Die Teststrecke ist ein weiterer wichtiger und sehr konkreter Schritt in diese Richtung. Sie wird zum Ausgangspunkt für eine sichere Quanten­kommunikations­infrastruktur in ganz Deutschland. Thüringen wird darin mit seinen Forschungs­einrichtungen und Unternehmen einen zentralen Knotenpunkt bilden.“

Der besondere Mehrwert der Teststrecke: Sie holt hochkomplexe Technologien zur Quanten­schlüssel­verteilung (Quantum Key Distribution, QKD) raus aus dem Labor und bettet sie in eine reale, alltagsnahe Infrastruktur ein. Entsprechend nutzt die Teststrecke z. B. konventionelle Glasfaser, wie sie auch heute schon in IT-Netzen zum Einsatz kommt und damit perspektivisch Grundlage für eine flächen­deckende Implementierung von Quanten­systemen sein könnte. Auch verlaufen rund sechs Kilometer der Teststrecken oberirdisch, wodurch Szenarien bereits existierender Netzwerke nachempfunden werden können.

„Für Quantennetze der Zukunft ist es wichtig, neuartige Systeme in realen Infrastrukturen zu testen“, erläutert Andreas Tünnermann, Leiter des Fraunhofer IOF. „Unsere Teststrecke soll dabei explizit auch Partnern aus Industrie und Wirtschaft zugänglich sein. Als Fraunhofer IOF möchten wir ein ‚enabler‘ sein, der es Unternehmerinnen und Unternehmern ermöglicht, eigene Systeme zur Quantenkommunikation in praxisnahen Alltags­szenarien zu erproben und zu optimieren.“

Das erste Unternehmen, das nun mit Unterstützung des Fraunhofer IOF erfolgreich Quantenschlüssel auf der Faser-Teststrecke ausgetauscht hat, ist die Quantum Optics Jena GmbH. 2020 hatte sich das junge Start-up aus dem Fraunhofer-Institut ausgegründet und entwickelt seither Plug-in Lösungen für die Quantenkommunikation. „Wir freuen uns riesig über den erfolgreichen Testlauf“, sagt Kevin Füchsel, CEO der Quantum Optics Jena. „Wir sind aber auch dem Fraunhofer IOF dankbar für die Möglichkeit, unser System unter Alltagsbedingungen zu erproben. Auf diese Weise fördern wir gemeinsam einen Transfer von Wissenschaft hinein in die Wirtschaft und den praktischen Alltag von Anwenderinnen und Anwendern.“

Für die Kollegen von Quantum Optics Jena hielt der erste Versuch auf der Teststrecke direkt spannende Ergebnisse parat: „Wir sehen, dass das System anders im realen Feld arbeitet als im Labor“, führt Füchsel weiter aus. „Im Labor übertragen wir bei vergleichbaren Verlusten mit zirka 300 Bit pro Sekunde. Das ergibt einen Verschlüsselungskey pro Sekunde. Im Feld sind wir bei zirka 200 Bit, also etwas weniger. Ein Key ist dabei 256 Bit lang und kann damit fast jede Sekunde für die kryptografische Absicherung, das heißt der Ver- und Entschlüsselung, der übertragenen Informationen erneuert werden. Gerade diese schnelle, abhörsichere und automatisierte Schlüsselerneuerung zeichnet die Quanten­schlüssel­verteilug gegenüber etablierten Verfahren aus.«

Um die aus dem ersten Testlauf gewonnenen Ergebnisse weiter zu vertiefen und ihre Lösungen weiterzuentwickeln, plant die Quantum Optics Jena in naher Zukunft einen zweiten Testlauf. „Bisher bietet unsere Teststrecke eine Zwei-Knoten-Verbindung zwischen Erfurt und Jena an“, erörtert Institutsleiter Tünnermann die aktuellen Standorte. Doch es gibt schon Pläne für die Zukunft: „Wir hoffen, unsere Teststrecke noch weiter ausbauen zu können und ein Netzwerk in Richtung Sachsen und Bayern zu etablieren.“

Die Faserstrecke entstand im Rahmen der Förderung von Quanten­applikations­laboren durch das Thüringer Wissenschafts­ministerium. Neben der Teststrecke wurden in Erfurt und Jena modernste Labore zur Erzeugung sowie Analyse von Quanten­zuständen und deren Anwendung in der hochsicheren Kommunikation eingerichtet. Die Förderung durch das Land Thüringen ist dabei eng abgestimmt mit Initiativen des Bundes. Sie ist außerdem zugleich Teil des Digitalisierungs­projektes des Thüringer Ministerium für Wirtschaft, Wissenschaft und digitale Gesellschaft.


Fh.-IOF / DE

 

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