Optisches Verschalten von Quantenkommunikationsverbindungen in Glasfasernetzen
Die hochbitratige Datenkommunikation per Glasfaser nimmt in einer zunehmend hypervernetzten Gesellschaft eine tragende Rolle ein. Um die Sicherheit und Vertraulichkeit sensibler Daten zu gewährleisten, werden bei der Übertragung kryptografische Schlüssel eingesetzt. Das Aufkommen von Quantencomputern stellt in diesem Zusammenhang eine Bedrohung für herkömmliche Verschlüsselungsmethoden dar, da diese auf mathematischen Algorithmen beruhen, die von leistungsfähigen Quantencomputern potenziell gebrochen werden können. Die Quantenkommunikation bietet mit der Schlüsselverteilung mittels Lichtquanten (engl. Quantum Key Distribution, QKD) einen Lösungsansatz, mit dem die Informationen abhörsicher gegenüber Quantencomputern ausgetauscht werden können. Die Sicherheit beruht hierbei auf fundamentalen Prinzipien der Quantenphysik. Die Übertragung von Quantenschlüsseln und klassischen Daten kann prinzipiell über dieselben optischen Kanäle, wie zum Beispiel Glasfasernetze, erfolgen, ist aber auf sehr unterschiedliche Parameterbereiche optimiert. Mit aktueller Übertragungstechnik kann es daher sowohl zu Einbußen bei den Daten- und Schlüsselraten als auch zur Gefährdung der Geheimhaltung der Quantenschlüssel kommen.
Die Zielsetzung des Verbundprojekts „Optisches Routing für Quantenschlüsselaustausch“ (QuNET+OptiRoute) ist es, die Grundlagen für die gleichzeitige Übertragung von Quanten- und klassischem Signal in glasfaserbasierten Kommunikationsnetzen zu schaffen. Dabei werden auch Lösungsansätze erarbeitet, die das dynamische optische Verschalten, das sogenannte Routing, von Quantenkommunikationskanälen an Knotenpunkten einer verzweigten Netzwerksinfrastruktur ermöglichen. Dazu werden die Forschenden mit Hilfe von experimentellen und simulationsgestützten Betrachtungen untersuchen, welche technologischen Hindernisse dem Parallelbetrieb in einem gemeinsamen Netz im Wege stehen. Im Zentrum der Untersuchungen steht insbesondere die Identifikation möglicher gegenseitiger Störungen in den Übertragungskanälen und bei typischen Netzelementen. Basierend auf den Ergebnissen der Untersuchungen wird das Forschungsteam optimierte Ausführungen der Netzelemente und QKD-Systeme entwickeln und die Kompatibilität beider Technologien in einem realitätsnahen Feldtest demonstrieren.
Im Projekt entwickeln die Forschenden innovative Lösungen für die effiziente Integration der QKD-Technologie in bestehende glasfaserbasierte Kommunikationsnetze. Die vorgesehenen Innovationen ermöglichen durch das optische Routing von Quantenkommunikationskanälen einerseits die Ende-zu-Ende-Sicherheit beim Quantenschlüsselaustausch. Andererseits können so auch die Verbindungen zwischen QKD-Systemen je nach Bedürfnissen der Nutzenden flexibel und dynamisch rekonfiguriert werden. Die Lösungsansätze gehen deutlich über den Stand der Technik hinaus und haben zudem auch ein großes wirtschaftliches Potenzial. Insgesamt leistet das Vorhaben somit einen wichtigen Beitrag im Bereich der IT-Sicherheit und ebnet den Weg für die Einführung quantenbasierter Kommunikationssysteme.