Festk?rperbasierte Schlüsselbauelemente für die Quantenkommunikation / Q.link.X - Quantenrepeater für eine abh?rsichere Kommunikation über gro?e 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 Leistungsf?higkeit heutiger Rechner beruht. Sollte eines Tages ein wesentlich leistungsst?rkerer Computer, wie beispielsweise ein Quantencomputer, verfügbar sein, k?nnten diese Verfahren unbrauchbar werden. Auch heute übertragenen Daten k?nnen 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 Einsatzm?glichkeiten in verschiedenen Anwendungsszenarien zu prüfen.

Die Quantenkommunikation bietet dafür einen vielversprechenden L?sungsansatz, der auf den Grundprinzipien der Quantenphysik aufbaut. Dabei werden Quantenzust?nde zur Schlüsselverteilung eingesetzt, die aufgrund fundamentaler physikalischer Gesetze weder kopiert noch mitgelesen werden k?nnen. Die Sicherheit der Quantenkommunikation wird also nicht durch algorithmische Methoden gew?hrleistet – das ist ein Paradigmenwechsel in der Daten- und Nachrichtenverschlüsselung. Die Umsetzung erster Quantenkommunikationsstrecken mit konventionellen Glasfasern st??t derzeit jedoch an technologische Grenzen: Bei der ?bertragung der Quanteninformation mit Lichtteilchen (Photonen) kommt es zu unvermeidbaren Leitungsverlusten, wodurch ?bertragungsstrecken auf unter 100 km begrenzt sind. Um diese Grenze ohne Sicherheitseinschr?nkungen zu überwinden, ist die Entwicklung sogenannter Quantenrepeater erforderlich. Dabei handelt es sich um spezielle quantenphysikalische Signalprozessoren, die den Quantenzustand der Photonen nicht zerst?ren. Damit wird eine Signalübertragung über weit mehr als 100 km mit der verbreiteten Glasfasertechnologie m?glich.

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 Leistungsf?higkeit auf Teststrecken erprobt werden soll. Basierend auf einem gemeinsamen ?bertragungsprotokoll 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 ?bertragungswellenl?ngen 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 vollst?ndige 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.