Mikrowellen-Quanten-Token in Elektronen- und Kernspin-Ensembles
Die Quantenkommunikation wird in Zukunft ein wichtiger Baustein für die Sicherheit digitaler Infrastrukturen in unserer Gesellschaft sein. Denn bei 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 den 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 Schlüsselbausteine quantenphysikalischer Systeme, wie beispielsweise Quantenspeicher, weiter zu verbessern und effiziente Einsatzmöglichkeiten zu finden.
Im Vorhaben „Speicherung von Mikrowellen-Quantentoken in Elektronen- und Kernspinensembles“ (QuaMToMe) sollen Quantentoken im Mikrowellenbereich erforscht werden. Als Alternative zur Übertragung durch sichtbares Licht in Glasfasern oder über Freistrahlkommunikation haben Mikrowellen eine besondere Bedeutung in der Quantenkommunikation. Sie sind kompatibel zu aktuell gängigen Quantencomputern, die auf Basis supraleitender Schaltkreise arbeiten. Solche Schaltkreise sollen auch im Projekt zur Erzeugung von Schlüsseln für Quantentoken eingesetzt werden. Die Speicherung der Schlüssel wird dann mit zwei weiteren physikalischen Systemen demonstriert werden. Hier kommen Elektronen- und Kernspin-Ensembles in den Ionen Seltener Erden und in Phosphoratomen zum Einsatz. In solchen Spin-Ensembles wollen die Forschenden Quantentoken erzeugen, speichern und auslesen. Hierfür werden im Projekt in einem Experiment die verschiedenen physikalischen Systeme zusammengeführt und deren Eigenschaften untersucht, insbesondere für die Speicherung von Quantenschlüsseln.
Die im Projekt anvisierte Kombination der verschiedenen Quantenspeicher- und Emittersysteme (Systeme zur Erzeugung der Quantenzustände) eröffnet neue Möglichkeiten für die Realisierung von Quantentoken sowie für die Vernetzung von Quantenkommunikationsstandorten. Der verwendete Mikrowellenbereich ist dabei zusätzlich hochrelevant, da alltägliche kabellose Übertragung sowie verschiedene Realisierungen von Quantenprozessoren bereits in diesem Wellenlängenbereich operieren. Die Projektergebnisse leisten mit der Entwicklung neuer Technologien für Quantentoken und für die quantengesicherte Informationsübertragung einen wichtigen Beitrag zur technologischen Souveränität Deutschlands.