Entwicklung von Teilsystemen für quantenkryptografisch gesicherte Informationsübertragung mittels Quanten-Repeatern
Der Schutz des Brief- und Fernmeldegeheimnisses in der Bundesrepublik Deutschland ist fest im Grundgesetz verankert und gewinnt angesichts der Digitalisierung und der stetig wachsenden Bedeutung von Kommunikation für individuelles Handeln und gesellschaftliche Prozesse immer mehr an Bedeutung. Die Gewährleistung dieses Schutzes durch konkrete Technologien und kryptografische Maßnahmen ist daher fortwährend Gegenstand aktueller Forschungsanstrengungen.
Heute eingesetzte kryptografische Verfahren beruhen beispielsweise auf Algorithmen, die mit geringem Rechenaufwand Daten ver- und entschlüsseln. Ohne den passenden Schlüssel ist das Entschlüsseln trotzdem so komplex, dass ein Abhören schwierig wird. Eine beweisbar sichere Kommunikation gibt es jedoch mit den in der Praxis verwendeten klassischen Verfahren nicht. So können Verbindungsdaten heute gespeichert und in einigen Jahren mithilfe neuer Verfahren oder schnellerer Computer entschlüsselt werden. Sicherheitsrisiken bestehen ebenso, da es prinzipiell möglich ist, Schlüssel zu entwenden. Abhilfe schaffen kann die Quantenkryptografie: Fundamentale physikalische Gesetze der Quantenmechanik garantierten, dass Schlüssel nicht kopiert und Kommunikation nicht abgehört oder gespeichert werden können.
Eine leistungsfähige Implementierung einer quantenkryptografisch gesicherten Übertragung von Daten über Distanzen von mehr als 100 km steht jedoch noch aus. Zentrales, heute nicht verfügbares Bauelement hierfür ist der Quanten-Repeater, der – analog zu Signalverstärkern in der klassischen Kommunikation – ein Übertragen von Information über praktisch beliebige Distanzen möglich macht.
Bei der Quantenkommunikation werden Informationen mittels Qubits, den Trägern quantenmechanisch codierter Informationen, übertragen und gespeichert. Die Qubits können physikalisch verschränkt werden und ändern ihren Zustand, sobald die Information ausgelesen wird. Ein unbemerktes Abhören oder Kopieren wird dadurch unmöglich. Die Sicherheit der Kommunikation ist beweisbar, weil sie auf fundamentalen physikalischen Prinzipien basiert.
Übertragen werden diese Qubits durch Lichtquanten (Photonen) im Telekommunikationsband, die sich in konventionellen Glasfasern über Distanzen von etwa 100 km ausbreiten können. Bislang gibt es lediglich quantenkryptografische Punkt-zu-Punkt-Verbindungen über kurze Distanzen. Ein Quanten-Repeater macht es möglich, auch längere Verbindungen mittels Quantenkryptografie zu sichern. Wird Information vom Sender über die Repeaterstrecke zum Empfänger übertragen, muss allerdings gewährleistet sein, dass die Quantensicherheit bei jedem Übertragungsschritt erhalten bleibt.
Nach dem heutigen Stand der Forschung ist für den Aufbau eines Quantenrepeaters die enge Zusammenarbeit verschiedener Disziplinen der Physik und Nachrichtentechnik erforderlich. Diese arbeiten im Förderschwerpunkt „Quantenkommunikation“ im Rahmen von drei Projekten zusammen. Nur im Zusammenspiel quantenoptischer Komponenten (Projekt Q.com-Quantenoptik: Quantenspeicher aus Atomen und Molekülen) mit Bausteinen der Halbleiterphysik (Projekt Q.com-Halbleiter: Einzelphotonenquellen aus Quantenpunkten) können die für einen Quanten-Repeater notwendigen Funktionalitäten effizient umgesetzt werden. So werden im Förderschwerpunkt in enger Zusammenarbeit von Arbeitsgruppen aus der Quantenoptik und der Halbleiterphysik die Grundlagen neuartiger Komponenten für Quanten-Repeater-Plattformen erforscht. Zugleich sind neue sichere quantenkryptografische Übertragungsprotokolle für Repeater-Strecken erforderlich (Projekt Q.com-Nachrichtentechnik).
Der Förderschwerpunkt „Quantenkommunikation“ erforscht die physikalischen Grundlagen der zum Aufbau einer Quanten-Repeater-Strecke notwendigen neuartigen Komponenten. Mittels einer solchen Strecke wird es in Zukunft möglich sein, quantenkryptografisch gesicherte Information über beliebige Distanzen zu übertragen. Erforscht werden Technologien, die zur Datenübertragung auf konventionelle Glasfasern zurückgreifen. Künftige Quanten-Repeater-Stationen können daher ohne großen zusätzlichen Aufwand in die vorhandenen Glasfasernetze integriert werden. So werden im Förderschwerpunkt die Grundlagen erforscht, die eine künftige Kommunikation tatsächlich (beweisbar) sicher werden lassen.