DIQTOK

Mobile Quantentoken mit hoher Speicherdauer

Bild von Molekülen zur illustrierung von Stickstoff(N)-Fehlstellen(V)-Zentren in Diamant.
Stickstoff(N)-Fehlstellen(V)-Zentren in Diamant können die Basis für langlebige Quantenspeicher und somit für mobile Quantentoken sein. © Universität Kassel

Motivation

Für die künftige Sicherheit digitaler Infrastrukturen in unserer Gesellschaft ist die Quantenkommunikation ein wichtiger Baustein. In der Quantenkommunikation basiert der Austausch kryptografischer Schlüssel auf grundlegenden physikalischen Gesetzen, wodurch die Sicherheit auch bei Angriffen durch Quantencomputer gewährleistet bleibt. Neben einer sicheren Datenübertragung bietet die Quantenkommunikation auch neue Möglichkeiten, um Nutzende digitaler Systeme sicher zu authentifizieren und private Daten in einem Netzwerk sicher zu speichern. Sogenannte Quantentoken könnten in Zukunft all dies gewährleisten. Analog zu heute gängigen Security Token wie Bankkarten, Transpondern oder Transaktionsnummern sind Quantentoken als Authentifizierungslösung unter Nutzung quantenphysikalischer Eigenschaften denkbar. Auf dem Weg zu ihrer Realisierung gilt es für die Forschung, wichtige Schlüsselparameter quantenphysikalischer Systeme, beispielsweise Quantenspeicher, weiter zu verbessern und effiziente Einsatzmöglichkeiten zu finden.

Ziele und Vorgehen

Ziel des Projekts „DIamant-basierte QuantenTOKen (DIQTOK)“ ist die Entwicklung eines mobilen, bei Raumtemperatur nutzbaren Quantentokens sowie dessen effiziente Herstellung. Für den Quantentoken soll das Materialsystem auf Basis von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren in Diamant optimiert und an die besonderen Anforderungen angepasst werden. Hierbei werden unterschiedliche experimentelle Methoden wie die Stickstoff-Implantation, die Elektronenstrahl-Lithographie und die laserinduzierte Ausheilung mit computerunterstütztem Materialdesign für die Herstellung der Zentren kombiniert. Diese Zentren ermöglichen es, die Quanteninformation zu speichern sowie ein- und auszulesen. Für die Kontrolle der Quanteninformation, und somit auch für die Realisierung langer Speicherzeiten, werden Mikrowellen- und Radiofrequenzpulstechniken weiterentwickelt. Da die Forschenden einen mobilen Quantentoken planen, wollen sie das System schrittweise immer kleiner gestalten.
Innovationen und Perspektiven

Innovationen und Perspektiven

Das geplante Quantentoken-Protokoll basiert auf dem neuartigen Ansatz, technisch weniger aufwendige, patentierte Verfahren für die Manipulation, Detektion sowie Kontrolle von Quanteninformation zu nutzen und somit eine technologische Realisierung außerhalb des Labors einfacher zu ermöglichen. Durch diesen Ansatz kann das System zur ersten Demonstration eines mobilen Quantentokens führen. Darüber hinaus sind die langfristig erreichbaren Speicherzeiten für die Quanteninformation wegweisend, weil sie im heute noch unerreichten Bereich von Stunden liegen können. Dies ermöglicht beispielsweise eine nicht kopierbare, durch grundlegende physikalische Prinzipien gesicherte mobile Identifikationsmöglichkeit mit natürlichem Zerfallsdatum – einen Quantenausweis. In vielen sicherheitskritischen Bereichen ist eine solche Lösung von besonderer Wichtigkeit.