Sichere faserbasierte Quantenkommunikation
Die fortschreitende Digitalisierung hat längst unseren Alltag durchdrungen. Im Zuge dieser Entwicklung ist die Sicherheit bei der Übertragung von Informationen vollumfänglich zu gewährleisten. Dies stellt ein Rückgrat unserer freien demokratischen Gesellschaft dar. Die Quantenkommunikation bietet einen zukunftsweisenden Lösungsansatz für eine langfristige Sicherheit in der Datenübertragung, die von keinem klassischen Computer und sogar von keinem Quantencomputer gebrochen werden kann, unabhängig von deren Leistungsfähigkeit. Dies wird möglich, da fundamentale physikalische Prinzipien die Sicherheit der ausgetauschten Schlüssel garantieren.
Bisherige Quantenkommunikationsstrecken stoßen jedoch bei der Übertragung über weite Strecken (ab ca. 100 km) an ihre technologischen Grenzen. Um diese Grenze zu überwinden sind sogenannte Quantenrepeater notwendig. Ein Quantenrepeater verbindet Knoten entlang einer Übertragungsstrecke mit Hilfe von Quantenspeichern und einfacher Quanteninformationsverarbeitung. Hierbei handelt es sich um spezielle quantenphysikalische Prozessoreinheiten, welche eingehende Quantenzustände empfangen und diese zur sicheren Kommunikation nutzen. Mehrere Quantenrepeaterstrecken lassen sich hintereinanderschalten. Hierdurch wird es möglich, Übertragungsstrecken auf weit mehr als 100 km zu erweitern.
Ziel des Verbundprojekts „Quantenrepeater.Link (QR.X)“ ist die erste Umsetzung von neuartigen Quantenrepeatern und deren Einsatz unter realen Bedingungen. Dazu werden in drei Technologiesträngen auf Basis von gefangenen Atomen und Ionen, Quantensystemen in Diamanten sowie in Halbeiternanostrukturen, neue und innovative Ansätze erforscht, die in der Entwicklung modularisierter, systemintegrierter und portabler Komponenten für Quantenrepeater münden.
Ausgehend von einem gemeinsamen Übertragungsprotokoll sollen die Vorteile der jeweiligen Systeme einander gegenübergestellt und so der Weg für hybride Quantenrepeater, welche die Vorteile der drei Technologiebereiche vereinen, geebnet werden. Insbesondere soll im Projekt erforscht werden, wie eine leistungsfähige Fehlerkorrektur in die Quantenrepeater integriert werden kann. So können Übertragungsfehler kompensiert und die Leistungsfähigkeit der Quantenrepeater weiter gesteigert werden. Zuletzt soll die entwickelte Technologie erstmalig außerhalb des Labors, unter realen Bedingungen getestet werden. Hierzu werden die Quantenrepeater an mehrere geplante Glasfaserteststrecken angeschlossen und evaluiert. Eine Weiterentwicklung der theoretischen Grundlagen und Protokolle für bestehende und zukünftige Quantenkommunikationssysteme ist ebenfalls geplant.
In QR.X sollen erstmals mobil einsetzbare Quantenrepeater-Gesamtsysteme basierend auf unterschiedlichen Technologieplattformen entwickelt werden. Deren Einsatz unter realen Bedingungen liefert wichtige Erkenntnisse, welche für ein zukünftiges Quantenkommunikationsnetzwerk mit in Deutschland entwickelten Technologien unerlässlich sind. Im Projekt werden unter Einbeziehung von Industriepartnern für die künftige Anwendung essenzielle, technologische und ingenieurstechnische Aspekte beleuchtet.
Im Projekt werden die Entwicklungen von Quantenrepeatern als zentrales Element für langreichweitige Quantenkommunikationsverbindungen weiter vorangetrieben. Damit leistet das Vorhaben langfristig einen essenziellen Beitrag zum Aufbau von Quantenkommunikationsinfrastrukturen zur abhörsicheren Übertragung von Daten und damit für die technologische und digitale Souveränität Deutschlands und Europas.