Kostengünstige Quantenkommunikation per Satellit
Die Digitalisierung unseres Alltags ist allgegenwärtig. Daher ist eine sichere Datenübertragung in nahezu allen Bereichen unserer Gesellschaft von enormer Bedeutung. Heute eingesetzte kryptografische Verfahren beruhen auf Algorithmen, welche gesendete Nachrichten mathematisch verschlüsseln. Diese bieten zwar angesichts der begrenzten Rechenleistung heutiger Computer Sicherheit - bereits heute abgehörte Daten können allerdings gespeichert und in Zukunft mit leistungsfähigeren Rechnern entschlüsselt werden.
Durch den Einsatz von Quantenzuständen als Träger der Information hingegen wird physikalisch sichere Kommunikation möglich. Die Gesetze der Quantenmechanik garantieren, dass die Daten nicht unbemerkt abgehört oder gespeichert werden können. Die Abhörsicherheit beruht hierbei auf fundamentalen Naturgesetzen und kann daher selbst durch zukünftige Technologien nicht überwunden werden. Ein Ansatz für die globale Verteilung von Quantenschlüsseln ist die Kommunikation via Satellit. Diese ermöglicht eine größere Reichweite als Glasfaserverbindungen, die aufgrund von Leitungsverlusten bisher auf etwa 100 Kilometer beschränkt sind. Der Austausch geheimer Schlüssel zwischen mehreren Bodenstationen via Satellit erlaubt so eine weltweite, sichere Kommunikation.
Der Verbund „Quantenschlüsselübertragung von einem CubeSat zum Boden (QUBE II)“ verfolgt das Ziel, einen Kleinstsatelliten zu entwickeln, welcher zum vollständigen Quantenschlüsselaustausch in der Lage ist. Die Plattform bilden hierbei kostengünstige Kleinstsatelliten, sogenannte CubeSats, die für diesen Zweck um die notwendigen Technologiekomponenten erweitert werden. Die Projektpartner integrieren hierfür neuartige Technologien zur Erzeugung von Quantenschlüsseln in die CubeSat-Plattform und kombinieren diese mit leistungsfähigen, optischen Kommunikationssystemen. Aufbauend auf dem Vorläuferprojekt QUBE werden miniaturisierte Quantenkomponenten entwickelt, welche den extremen Temperatur- und Strahlungsbelastungen im All widerstehen. Diese werden anschließend in einen etwa 10 Kilogramm leichten Kleinstsatelliten integriert. Das Forschungsteam baut außerdem eine Bodenstation auf, die eine effiziente optische Kommunikation zum Satelliten gewährleistet und die Übertragung von Quantenzuständen ermöglicht. Im Projekt arbeiten führende Forschungsgruppen aus den Gebieten der Optik und Quantenkommunikation intensiv mit innovativen Unternehmen und Einrichtungen aus den Bereichen der Kommunikations-, Satelliten- und Raumfahrttechnik zusammen.
Sichere Quantenschlüsselverteilung ist eine der wichtigsten Anwendungen der Quantentechnologien. Diese konnte bereits in zahlreichen Projekten sowohl über regional begrenzte optischen Freiraumstrecken als auch in lokalen Glasfasernetzwerken erfolgreich umgesetzt werden. Der im Rahmen des Vorhabens entwickelte Kleinstsatellit ermöglicht hingegen erstmals kostengünstige Systeme zur weltweiten Quantenschlüsselverteilung. Dies ist ein entscheidender Schritt zur kommerziellen Umsetzung von Quantenkommunikationstechnologien am Industriestrandort Deutschland.
Mit erfolgreicher industrieller Produktion der Technologie wird nur wenige Jahre nach Projektende ein deutschland- und europaweites Netzwerk aus 10 bis 20 Kleinstsatelliten und einer Vielzahl von Bodenstationen möglich werden. Damit leistet das Vorhaben mittelfristig einen essenziellen Beitrag zum Aufbau von Quantenkommunikationsinfrastrukturen zur abhörsicheren Übertragung von Daten und damit der technologischen und digitalen Souveränität Deutschlands und Europas. Längerfristig kann das Netzwerk dann auf den weltweiten Einsatz mit mehreren hundert Kleinstsatelliten ausgeweitet werden. Hierdurch wird der Technologiestandort Deutschland und Europa dauerhaft gestärkt.