Grand Challenge der Quantenkommunikation

Das BMBF beabsichtigt die anwendungsorientierte Erforschung und Entwicklung von Technologien und Methoden zur Verbesserung technologischer Schlüsselfaktoren für Quantentoken, wie beispielsweise Kohärenzzeiten von Quantenspeichern, im Rahmen einer „Grand Challenge“ zu fördern.

Digitale goldene Münze auf Datenübertragungs-Hintergrund
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Für die Sicherheit digitaler Infrastrukturen in unserer Gesellschaft stellt die Quantenkommunikation einen wichtigen Baustein dar. Neben dem Austausch sicherer Quantenschlüssel bietet die Nutzung von Quantentechnologien auch neue Möglichkeiten zur sicheren Authentifizierung von Systembenutzern mittels sogenannter Quantentoken. Wie auch der Quantenschlüsselaustausch basieren Quantentoken auf dem Grundsatz, dass Quanteninformation nicht kopiert werden kann, ohne dabei verändert zu werden. Die Nutzung von Quantenzuständen garantiert so physikalische Fälschungssicherheit. Quantentoken stellen eine technische Alternative zu heutigen Security-Token dar und ermöglichen auch in Zukunft sichere Authentifizierungsverfahren, die auch von leistungsfähigen Quantencomputern nicht umgangen werden können. Mögliche künftige Anwendungsfälle sind neben der Authentifizierung auch die sichere Datenspeicherung unter Einhaltung der Privatsphäre, sicheres verteiltes Rechnen, digitale Signaturen und fälschungssichere Dokumenten.

Eine zentrale Herausforderung, die zur Entwicklung von Quantentoken bewältigt werden muss, stellen die derzeit noch eingeschränkten Möglichkeiten der Realisierung von Quantenspeichern dar. Aktuell werden verschiedene Ansätze zur Speicherung von Quanteninformationen verfolgt. Diese unterscheiden sich unter anderem bezüglich des verwendeten Materialsystems, der Speicherungsmethode oder der Anzahl an Qubits. Beispielsweise werden Quanteninformationen in eingefangenen Atomen und Ionen, in Farbzentren oder in Halbleiterquantenpunkten gespeichert. Die Speicherzeiten, die dabei erreicht werden können, liegen für viele Systeme im Millisekundenbereich oder niedriger und sind damit noch nicht für eine Anwendung in Quantentoken-Systemen ausreichend, für die je nach Anwendungsfall eine Speicherung von zumindest mehreren Minuten erforderlich wäre. Hier besteht ein hoher Forschungsbedarf zur Verbesserung der Lebensdauer der Quantenzustände beispielsweise durch längere Kohärenzzeiten oder Fehlerkorrekturmethoden. Weitere Verbesserungen sind notwendig bei der Genauigkeit der Präparation, Speicherung und Dekodierung der Zustände. Außerdem müssen effiziente Schnittstellen für die Übertragung geschaffen werden. Quantenspeicher sind ein wichtiger Schwerpunkt, um die Entwicklung von Quantenkommunikation und auch anderer relevanter Bereiche der Quantentechnologien weiter voranzubringen.

Das BMBF beabsichtigt daher die anwendungsorientierte Erforschung und Entwicklung von Technologien und Methoden zur Verbesserung technologischer Schlüsselfaktoren für Quantentoken, wie beispielsweise Kohärenzzeiten von Quantenspeichern, im Rahmen einer „Grand Challenge“ zu fördern. Das Thema Quantentoken soll dabei den notwendigen Impuls geben, um die Entwicklung von Quantenspeichern und deren Anbindung an Kommunikationssysteme weiter voranzutreiben, um Deutschland als Standort innovativer IT-Sicherheitslösungen zu stärken.

Förderziel und Zuwendungszweck

Ziel der Förderrichtlinie ist eine messbare Verbesserung eines Quantenspeichers oder eines anderen Systems zur Realisierung von Quantentoken innerhalb der Projektlaufzeit von drei Jahren. Der erwartete Umfang des messbaren Fortschritts ist spezifisch für die jeweils untersuchte Systemplattform. Es soll in jedem Fall der aktuelle Entwicklungsstand in mindestens einer Kennzahl deutlich übertroffen werden ohne dass sich andere Kennzahlen dabei signifikant verschlechtern. Anhand dieser Indikatoren wird noch während der Fördermaßnahme eine Erfolgskontrolle durch eine Expertenjury vorgenommen werden.

Zur nachhaltigen Stärkung der Expertise und Steigerung des künftigen Wertschöpfungspotenzials im Hinblick auf die Entwicklung von Quantentoken am Standort Deutschland werden im Wettbewerb Forschungseinrichtungen und dabei primär Nachwuchsgruppen als Zielgruppe angesprochen. Mit begleitenden Maßnahmen zur öffentlichkeitswirksamen Wissenschaftskommunikation soll die „Grand Challenge“ dazu beitragen, kompetente Nachwuchsgruppenleiter in Fachkreisen zu etablieren und zu vernetzen. Zudem wird mit der Fördermaßnahme beabsichtigt, bei Bürgerinnen und Bürgern Interesse für Quantenkommunikation zu wecken und die Prominenz des Themas Quantentoken bei möglichen Anwendern, insbesondere bei kleinen und mittleren Unternehmen, zu steigern. Auf diese Weise soll die Förderung einen wichtigen Beitrag zur technologischen Souveränität Deutschlands im Bereich der IT-Sicherheit leisten.

Gegenstand der Förderung

Gegenstand der Förderung sind Wettbewerbsbeiträge mit dem Ziel der Verbesserung technologischer Schlüsselfaktoren im Hinblick auf die Realisierung von Quantentoken. Ein starker Fokus soll dabei auf der Weiterentwicklung von quantenspeicherbasierten Ansätzen liegen; speicherfreie Ansätze sind jedoch nicht vom Wettbewerb ausgeschlossen.

Quantenspeicher sind ein wichtiger Grundstein, um die Entwicklung von Quantenkommunikation aber auch andere Anwendungsbereiche der Quantentechnologien weiter voranzubringen. Um speicherbasierte Quantenverfahren für viele Anwendungen nutzbar zu machen, besteht ein hoher Forschungsbedarf in der Verbesserung der unterschiedlichen Kennzahlen eines Quantenspeichers. Eine Kennzahl ist beispielsweise die Verfügbarkeitsdauer der Quanteninformationen, die unter anderem durch längere Kohärenzzeiten oder Fehlerkorrekturmethoden verlängert werden kann. Zudem ist eine Effizienzsteigerung in der Übertragung, der Speicherung und beim Auslesen von Qubits mit hoher Güte erforderlich. Weitere Verbesserungen sind notwendig bei der Genauigkeit von Präparation, Speicherung und Dekodierung der Zustände. Außerdem müssen Schnittstellen für die Übertragung geschaffen werden.

Für den Einsatz in einem Quantentoken muss ein Quantenspeicher verschiedene Voraussetzungen gleichzeitig erfüllen. Eine hohe Speicherzeit allein genügt beispielsweise nicht, wenn der Speicher nicht ebenfalls eine ausreichende Güte aufweist. Damit Verbesserungen an Quantenspeichern zu einer signifikant verbesserten Anwendbarkeit führen können, müssen daher multidimensionale Ansätze verfolgt werden, in denen idealerweise mehrere Parameter optimiert werden.

Die gewählten Ansätze sollen in einem nachhaltigen technologischen Fortschritt resultieren. Dieser wird anhand konkreter Kennzahlen bewertet werden. Dabei soll der relative Fortschritt in Bezug auf die untersuchte Plattform als Bewertungsgrundlage genutzt werden. Im Fall alternativer Ansätze für Quantentoken, in denen Quantenspeicher keine essentielle Rolle spielen oder die speicherfrei auskommen könnten, werden ebenfalls Fortschritte bei bekannten Kennzahlen bewertet.

Das Wettbewerbsszenario ist eine dreijährige Förderphase von Forschungs- und Entwicklungsvorhaben, die begleitend durch eine Jury bewertet werden. Gewinnerprojekte werden mit einer Anschlussförderung zur weiterführenden Umsetzung ihres Lösungsansatzes prämiert.

Die aus den Arbeiten hervorgehenden Entwicklungen sind sowohl für die Forschung als auch für die Wirtschaft von Bedeutung. Zur anwendungsnahen Entwicklung richtet sich der Wettbewerb primär an kleine, zielgerechte und komplementär aufgestellte Konsortien, die einen physikalisch messbaren Fortschritt erarbeiten können. Eine Einbindung von Know-how-Trägern auf Seiten der Industrie in beratender Funktion wird begrüßt. Der Wettbewerb wird durch Maßnahmen der öffentlichkeitswirksamen Wissenschaftskommunikation begleitet. Teilnehmende Konsortien erklären sich bereit, sich an diesbezüglichen Aktivitäten des BMBF zu beteiligen, beispielsweise durch Unterstützung bei der Erstellung von Pressematerialien etwa in Form von Text und Bildmaterial sowie von multimedialem Content. Entsprechende Nutzungsrechte für die öffentliche Verwendung des projektbezogenen und personenbezogenen Kommunikationsmaterials werden durch die Konsortien erteilt.

Bewertungsgrundlage ist einerseits der durch das Vorhaben erreichte Fortschritt bei der Verbesserung von Kenngrößen eines Quantenspeichersystems oder ein vergleichbarer Fortschritt einer anderweitigen Lösung. Außerdem werden der Innovationsgehalt und das Disruptionspotenzial des Lösungsansatzes in die Bewertung mit eingehen. Damit die entwickelten innovativen Technologien tatsächlich zum Einsatz kommen können, muss auch die technische Anschlussfähigkeit sowie Kompatibilität zu vorhandenen Kommunikations- und IT-Infrastrukturen gegeben sein. Die Realisierbarkeit des gewählten Ansatzes soll im Rahmen eines „Proof-of-Principle“ mit einem Demonstrator für ein konkretes Anwendungsszenario nachgewiesen werden. Das Anwendungsszenario wird in der ersten Umsetzungsphase des Wettbewerbs (voraussichtlich nach Ende des ersten Projektjahres) als abschließende Aufgabenstellung verkündet.

Um den Wettbewerb nicht nur anhand technischer Zielwerte zu entscheiden, sollen auch Innovationen abseits etablierter Lösungsansätze gefördert werden. Daher soll auch die Kreativität der Lösung in die Bewertung eingehen.
Außerhalb des Wettbewerbs soll ein begleitendes Theorieprojekt gefördert werden, um neben der physikalisch-technischen Realisierung von Quantentoken auch das Design anwendungsnaher Protokolle für die Einsatztauglichkeit zu gewährleisten. Durch parallele Entwicklungen seitens der Theorie soll sichergestellt werden, dass die entwickelten Technologien als Teil einer funktionierenden Gesamtlösung in realen Einsatzszenarien zur Anwendung kommen können. Zu diesem Zweck soll das wettbewerbsbegleitende Theorieprojekt auch bei der Formulierung von Anwendungsszenarien mitarbeiten. Weiterhin sollen die teilnehmenden Projekte im Wettbewerb durch das Theorieprojekt unterstützt und zusätzliche Entwicklungen, insbesondere zu Datenübertragungsprotokollen, durchführt werden. Projektvorschläge zu derartigen Arbeiten auf Seiten der Theorie sind ebenfalls erwünscht.

Querschnittsthemen wie Normung, Standardisierung und vorbereitende Arbeiten zur Zertifizierung sollten, soweit erforderlich, in den Vorhaben berücksichtigt werden.

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