Optimierung von Quantenkommunikationsnetzen mittels maschinellen Lernens
Für unsere offene und freie Gesellschaft ist die Sicherheit digitaler Infrastrukturen und die Vertraulichkeit übertragener sensibler Daten unerlässlich. Dabei verdeutlicht die zunehmende Anzahl an Cyber-Angriffen auf öffentliche und industrielle Einrichtungen, wie verwundbar heute eingesetzte digitale Infrastrukturen sind. In diesem Zusammenhang bieten Quantentechnologien neue erfolgversprechende Ansätze, um digitale Infrastrukturen besser zu schützen. In der Quantenkommunikation wird der Schlüsselaustausch durch die fundamentalen Gesetze der Quantenphysik gegen das Abhören gesichert und nicht durch algorithmische Methoden der klassischen Nachrichtenübertragung. Der Schlüssel kann dadurch weder unbemerkt kopiert noch mitgelesen werden. So wird im Prinzip eine unangreifbare Kommunikation ermöglicht, welche den zuverlässigen Austausch von hochsensiblen Daten gewährleistet.
Quantensichere Kommunikationskanäle in bestehende Kommunikationsinfrastrukturen zu integrieren stellt enorme Herausforderungen an Hardware und Software. Dazu müssen neue Schlüsseltechnologien und Systemdesigns erforscht und entwickelt werden. Schnittstellen zwischen etablierten Telekommunikationsstrukturen und Quantenkommunikationsnetzen müssen getestet und erprobt werden.
Ziel des Vorhabens „QuNET − Optimierung von QKD-Netzen mittels maschinellen Lernens (QuNET+ML)“ ist es, den Einsatz der Quantenschlüsselverteilung (engl. Quantum Key Distribution, Abk. QKD) in realistischen Netzwerkszenarien zu ermöglichen. Große kommerzielle Netze, wie sie in der Industrie 4.0, der künftigen 6G-Kommunikation und in der fortschreitenden Digitalisierung und Vernetzung der Gesellschaft nötig werden, sind dabei von besonderem Interesse. Um eine stabile und sichere Kommunikation zu gewährleisten, soll erforscht werden, wie in solchen großen Netzwerken die Verteilung der Quanten-schlüssel optimiert werden kann. Das Projektteam forscht deshalb an neuen Anwendungen des maschinellen Lernens und integriert sowie erprobt diese in geeigneten Teststrecken zur Quantenkommunikation.
Die im Projekt entwickelten Optimierungsverfahren ermöglichen eine stabile Quantenschlüsselverteilung in heterogenen Kommunikationsnetzen und sind somit eine wichtige Innovation für die Quantenkommunikation. Nach erfolgreichem Projekt-verlauf stehen Technologien für die Schlüsselverwaltung und der Netzsteuerung zur Verfügung, die für den Aufbau von Quantenkommunikationsnetzen notwendig sind. Die Teilnahme deutscher Industriepartner legt dabei wichtige Grundlagen für die Entwicklung kritischer Komponenten in Deutschland. Durch die Einbettung des Vorhabens in die QuNET-Initiative erfolgen zudem umfassende Vorbereitungen für Standardisierungen von Quantenkommunikationstechnologien für gesellschaftlich und wirtschaftlich relevante Anwendungsfälle. Das Projekt trägt so dazu bei, Deutschlands technologische Souveränität bei der Einführung und Verbreitung quantenbasierter Kommunikationssysteme zu etablieren und zu wahren.