Das Projekt QR.X soll einen wichtigen Beitrag leisten, um die Forschung zur Quantenkommunikation in Deutschland voranzubringen. Am 4. und 5. Oktober 2021 trafen sich die Projektbeteiligten zum Auftakt in Bad Honnef und online.
Das Forschungsthema Quantenkommunikation hat großes Potenzial, die Sicherheit digitaler Systeme in Zukunft deutlich zu erhöhen. Denn Sicherheit beruht bei ihr nicht wie bei heute gängigen Verschlüsselungsverfahren allein auf Mathematik, sondern auf fundamentalen physikalischen Prinzipien. Gerade mit Blick auf die fortschreitenden Entwicklungen im Bereich der Quantencomputer sind solche grundlegend neuen Ansätze dringend nötig. Denn durch ihre enorme Leistung werden Quantencomputer künftig viele der heute üblichen mathematischen Verfahren brechen können. Für das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) ist die Quantenkommunikation deshalb ein wichtiger Förderschwerpunkt: Im Rahmen des Forschungsrahmenprogramms der Bundesregierung zur IT-Sicherheit „Digital. Sicher. Souverän.“ und auch des Forschungsprogramms „Souverän. Digital. Vernetzt.“ fördert das BMBF die Weiterentwicklung dieser Zukunftstechnologie. Auf sie baut die Bundesregierung auch mit dem Konjunktur- und Zukunftspaket, mit dessen Mitteln unter anderem die Initiative QuNET , ein Innovationshub für Quantenkommunikation und das Projekt QR.X gefördert werden.
Während die Initiative QuNET bereits seit 2019 läuft und der Innovationshub für Quantenkommunikation aktuell ausgeschrieben ist, wurde im Projekt QR.X nun der Auftakt begangen. Das große Ziel der Forschenden an den 26 beteiligten Partnerinstitutionen ist es, einen Quantenrepeater zu entwickeln. Dieser Repeater ist ein unverzichtbares Element, damit Quantenkommunikation auch über größere Distanzen hinweg gelingen kann. Projektkoordinator Prof. Christoph Becher, der die Arbeitsgruppe Quantenoptik an der Universität des Saarlandes leitet, betonte, dass nach wie vor nur Quantenrepeater eine sichere Langstreckenkommunikation über Glasfaser bieten können. Denn die zahlreich existierenden Teststrecken, insbesondere in China, bauen auf einer Vielzahl von Zwischenstationen auf, auch bekannt als Trusted Nodes (vertrauenswürdige Knoten), an denen die zu schützenden Daten unverschlüsselt vorliegen. In Q.Link.X konnten erfolgreich Elemente von Quantenrepeatern theoretisch und experimentell basierend auf drei verschiedenen physikalischen Systemen (auch als Plattformen bezeichnet) entwickelt werden: kalte Atome und Ionen (also elektrisch geladene Atome), Halbleitersysteme und Fehlstellen in Diamanten (auch als Farbzentren bekannt). In seinem Vortrag spannte der Projektkoordinator den Bogen von den bereits erzielten Ergebnissen hin zur Zukunft. In den nächsten Jahren solle in QR.X vor allem an der Leistungssteigerung der verschiedenen Ansätze für Quantenrepeater sowie deren Anbindung an reale Netze gearbeitet werden, so Becher. Zudem seien hybride Quantenrepeatersysteme geplant, die die Vorteile der verschiedenen Plattformen kombinieren. Ein wichtiges Ziel der Forschenden sei es zudem, die Systeme kompakter und mobiler zu machen, damit sie auch außerhalb von streng kontrollierten Laborumgebungen einsetzbar sind. „Um zu zeigen, dass Quantenrepeater praktisch funktionieren, planen wir mehrere Teststrecken in Berlin, Stuttgart, Braunschweig-Hannover, Saarbrücken und München-Garching“, sagte Becher. Zudem seien mehrere Workshops vorgesehen, die Wissenschaft und Industrie zusammenbringen und die Anwendungstauglichkeit der entwickelten Technologien sicherstellen sollen.
Für den Blick über die Projektgrenzen von QR.X hinaus sorgten zwei führende Forschende auf dem Gebiet der Quantenkommunikation. Digital zugeschaltet waren Prof. Mikhail Lukin vom Max Planck Harvard Research Center for Quantum Optics (USA) und Dr. Eleni Diamanti, Direktorin des Centre national de la recherche scientific an der Sorbonne-Universität (Frankreich). In ihren Keynotes gaben sie Einblicke in ihre Forschung. Harvard-Professor Mikhail Lukin sprach über die aktuellen Maßnahmen und Herausforderungen bei der Weiterentwicklung der Quantenkommunikation. Er thematisierte etwa die Frage, wie großflächig einsetzbare Quantensysteme gebaut und genutzt werden können. Mit Blick auf diese Herausforderung hält Lukin neue Systeme wie integrierte photonische Schaltkreise für besonders vielversprechend. Zudem konstatierte der Harvard-Forscher große Fortschritte beim Einsatz sogenannter diamantbasierter Plattformen mit Silizium-Fehlstellen im Diamantgitter, seiner Ansicht nach sehr aussichtsreiche Systeme für die Langstreckenquantenkommunikation. Lukin berichtete darüber hinaus von einem gerade in Boston zwischen dem Massachusetts Institute of Technology (MIT) und der Harvard-Universität entstehenden Testnetzwerk für die Quantenkommunikation.
Dr. Eleni Diamanti von der französischen Sorbonne-Universität hielt ihre Keynote über sichere Kommunikation in Quantennetzwerken. Dabei zeigte sie die Vorteile von Quantenkommunikation für die Sicherheit und Effizienz von Kommunikationsnetzwerken auf. Sie lenkte den Blick auf mögliche Anwendungen der Quantenkommunikation in der näheren Zukunft, wie etwa fälschungssicheres Quantengeld oder Quantentoken . Außerdem stellte die Forscherin die französischen und europäischen Aktivitäten zu Quantenkommunikationsnetzen vor. Ein Schwerpunkt dieser Arbeiten liegt auf unter Ausnutzung sogenannter kontinuierlicher Variablen für die Quantenkommunikation, ein Ansatz der unter anderem auch in der QuNET-Initiative verfolgt wird.
Die vom BMBF geförderten Aktivitäten zur Quantenkommunikation in Deutschland, wie QR.X oder die erwähnte QuNET-Initiative, sollen zum europäischen Ziel beitragen, eine hochsichere Quantenkommunikationsinfrastruktur aufzubauen. Dr. Heike Prasse, Leiterin des fördergebenden Referats „Vernetzung und Sicherheit digitaler Systeme“ im BMBF, hob in ihrer Begrüßung die besondere Bedeutung der Quantenkommunikation für die technologische Souveränität hervor: „Die Quantenkommunikation ist für den wirtschaftlichen und technologischen Fortschritt Deutschlands und Europas wichtig. Wir wollen nicht nur Nutzende der Technologien sein. Wir müssen sie auch hierzulande verstehen, herstellen und weiterentwickeln. Mit diesem ganzheitlichen Ansatz legen wir heute die Grundlage für eine starke Industrie von Morgen.“ In den nächsten Jahren wollen die Forschenden im Projekt QR.X hierzu ihren Beitrag leisten.