Festkörperbasierte Schlüsselbauelemente für die Quantenkommunikation / Q.link.X - Quantenrepeater für eine abhörsichere Kommunikation über große Distanzen

Motivation

Im Zuge der Digitalisierung gewinnen Datensicherheit und nachweisbar sichere Kommunikation kontinuierlich an Bedeutung. Aktuell werden hierfür Verschlüsselungsverfahren eingesetzt, deren Sicherheit weitestgehend auf der Leistungsfähigkeit heutiger Rechner beruht. Sollte eines Tages ein wesentlich leistungsstärkerer Computer, wie beispielsweise ein Quantencomputer, verfügbar sein, könnten diese Verfahren unbrauchbar werden. Auch heute übertragenen Daten können betroffen sein, wenn sie aufbewahrt und mit künftigen Computergenerationen entschlüsselt werden. Es ist daher dringend erforderlich, nach alternativen kryptographischen Verfahren und Kommunikationstechnologien zu forschen und ihre Einsatzmöglichkeiten in verschiedenen Anwendungsszenarien zu prüfen.

Die Quantenkommunikation bietet dafür einen vielversprechenden Lösungsansatz, der auf den Grundprinzipien der Quantenphysik aufbaut. Dabei werden Quantenzustände zur Schlüsselverteilung eingesetzt, die aufgrund fundamentaler physikalischer Gesetze weder kopiert noch mitgelesen werden können. Die Sicherheit der Quantenkommunikation wird also nicht durch algorithmische Methoden gewährleistet – das ist ein Paradigmenwechsel in der Daten- und Nachrichtenverschlüsselung. Die Umsetzung erster Quantenkommunikationsstrecken mit konventionellen Glasfasern stößt derzeit jedoch an technologische Grenzen: Bei der Übertragung der Quanteninformation mit Lichtteilchen (Photonen) kommt es zu unvermeidbaren Leitungsverlusten, wodurch Übertragungsstrecken auf unter 100 km begrenzt sind. Um diese Grenze ohne Sicherheitseinschränkungen zu überwinden, ist die Entwicklung sogenannter Quantenrepeater erforderlich. Dabei handelt es sich um spezielle quantenphysikalische Signalprozessoren, die den Quantenzustand der Photonen nicht zerstören. Damit wird eine Signalübertragung über weit mehr als 100 km mit der verbreiteten Glasfasertechnologie möglich.

Ziele und Vorgehen

Ein Quantenrepeater verbindet zwei oder mehrere Punkt-zu-Punkt-Verbindungen mithilfe von Quantenspeichern und einfacher Quanteninformationsverarbeitung. Das Verbundprojekt Q.Link.X „Quanten-Link-Erweiterung“ hat die erstmalige Realisierung von Quantenrepeatern zum Ziel. Diese basieren auf drei verschiedenen technischen Plattformen. Dabei handelt es sich um sogenannte Quantenpunkt- und Diamant-Farbzentren-Systeme sowie um eine Kombination atomarer und ionischer Systeme, deren Leistungsfähigkeit auf Teststrecken erprobt werden soll. Basierend auf einem gemeinsamen Übertragungsprotokoll sollen die Vorteile der jeweiligen Systeme einander gegenübergestellt werden und so die Basis für einen hybriden Quantenrepeater geschaffen werden. Darüber hinaus wird der Anschluss an Glasfasern mit den technisch üblichen Übertragungswellenlängen analysiert und es werden theoretische Grundlagen für zukünftige Quantenkommunikationssysteme entwickelt.

Innovation und Perspektiven

In Q.Link.X sollen erstmals nicht nur einzelne Komponenten eines Quantenrepeaters erforscht und entwickelt werden. Stattdessen sind vollständige und weitreichende Kommunikationsstrecken basierend auf unterschiedlichen Technologieplattformen geplant. Die Analyse der Ergebnisse in einer Roadmap ebnet den Weg zu einem skalierbaren Quantenrepeater, der künftig alle Vorteile der verschiedenen Technologien miteinander kombiniert. Ein wichtiges Augenmerk liegt dabei auf der Realisierbarkeit aus industrieller und ingenieurstechnischer Sicht. Die Ergebnisverwertung in Deutschland wird durch die geplanten Patente und Ausgründungsbestrebungen des Konsortiums gesichert. Durch das Projekt werden so die wissenschaftlichen und wirtschaftlichen Voraussetzungen für zukünftige Quanten-IKT-Systeme in Deutschland geschaffen.