27. Januar 2025 | DLR und Universität Ulm erproben Quantennetzwerk

Start für abhörsichere Quantenkommunikation in Ulm

  • Das DLR und die Universität Ulm haben auf ihrem Quantennetzwerk einen Quantenschlüssel für die abhörsichere Datenübertragung versandt und dabei einen Lauschangriff simuliert.
  • Die Forschenden arbeiten gemeinsam an Verfahren und Komponenten für die Quantenkommunikation sowie einem Quanteninternet.
  • Das DLR bringt seine Expertise in optischer Kommunikation, Raumfahrt und Quantentechnologien sowie Quantencomputing ein.
  • Schwerpunkte: Digitalisierung, Quantentechnologien, Quantenkommunikation, Quantenkryptographie, Quantencomputer

Das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und die Universität Ulm haben erfolgreich mit dem Betrieb eines gemeinsamen Netzwerks für Quantenkommunikation begonnen. Die Ulmer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler zeigten am 27. Januar 2025 das abhörsichere Versenden von Computerdaten mit Hilfe der Quantum Key Distribution (QKD). Dabei wurde ein sogenannter Quantenschlüssel aus verschränkten Photonen zum Ver- und Entschlüsseln der Daten erzeugt und per Glasfaser vom Universitätscampus zum DLR und zurück übertragen. Während der Vorführung haben die Forschenden auch einen Lauschangriff simuliert.

Das DLR und die Universität Ulm forschen an einer fortgeschrittenen Quantenkommunikation. Das Ziel ist, künftige Quantencomputer mit einem Quanteninternet zu verbinden, um die Rechenkapazität auf Quantenebene zu steigern.

Daten vor Diebstahl und Manipulation schützen

Sensible Daten lassen sich durch Verschlüsseln effektiv vor Diebstahl und Manipulation schützen. Das gilt für persönliche und vertrauliche Informationen ebenso wie beim Schutz kritischer Infrastrukturen. Dazu zählen globale Datennetze, die Energie- und Wasserversorgung oder unsere zunehmend vernetzte und automatisierte Mobilität.

Ein Quantencomputer könnte in Zukunft heutige, sogenannte klassische Verschlüsselungsverfahren knacken, die auf Binärcodes aus Nullen und Einsen basieren. Abhilfe bietet die Quantenkommunikation. Diese nutzt Quantenobjekte, um Informationen abhörsicher zu übertragen.

Einmal vom Uni-Campus zum DLR und zurück

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der Universität Ulm und des DLR und haben jetzt ihre gemeinsamen Arbeiten an der Quantum Key Distribution präsentiert. Bei der Vorführung haben sie als Fallbeispiel medizinische Patientendaten verschlüsselt und zwischen zwei Computern verschickt. Unter den rund 20 Gästen war auch der Ulmer Oberbürgermeister, Martin Ansbacher.

Das Besondere an der Quantum Key Distribution ist der sogenannte Quantenschlüssel, in dem die Informationen zum Ver- und Entschlüsseln der Daten stecken. „Quanten“ deshalb, weil der Schlüssel aus Quantenobjekten erzeugt wird. Die Ulmer Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nutzen dafür verschränkte Lichtquanten eines Lasers, also Photonen. Dabei handelt es sich um einen speziellen Quantenzustand des Photonenpaares. Das Paar lässt sich mathematisch nicht mehr als Kombination zweier einzelner Quantenobjekte beschreiben, sondern nur wie ein einzelnes, „verschmolzenes“ Objekt.

Das Projektteam hat die Photonen über eine Glasfaser über eine Strecke von insgesamt rund fünf Kilometern vom Universitätscampus zum DLR und wieder zurück übertragen. Das Projektteam hat das Experiment in Zusammenarbeit mit der Firma Quantum Optics Jena geplant und aufgebaut.

Daten und Schlüssel auf zwei Kanälen

Der Absender schickt die verschlüsselten Daten als klassischen Code aus Nullen und Einsen über ein herkömmliches Datennetz an den Empfänger. „Sender und Empfänger erzeugen dann gemeinsam den Quantenschlüssel zum Ver- und Entschlüsseln. Dazu übertragen sie dessen Information auf die quantenphysikalischen Zustände einzelner Photonen“, erläutert Dr. Matthias Zimmermann vom DLR-Institut für Quantentechnologien in Ulm.

Dies passiert getrennt und abhörsicher über einen sogenannten Quantenkanal. Das können Glasfaserleitungen sein oder eine Freistrahlstrecke für einen Laser, beispielsweise bei der Satellitenkommunikation. Das Herausfordernde daran ist, das Licht möglichst verlust- und störungsfrei durch den Quantenkanal zu transportieren.

Quantenschlüssel lassen sich nicht abhören

Bei ihrer Vorführung haben die Forscherinnen und Forscher einen Lauschangriff auf den Quantenschlüssel simuliert. „Abhörversuche fallen sofort auf, wenn die Datenrate plötzlich sinkt. Das System bricht dann die Erzeugung des Schlüssels ab. So sind Manipulationen oder unbemerkte Angriffe nicht möglich“, erklärt Matthias Zimmermann. „Die Quanteneigenschaft der Photonen verhindern prinzipiell, dass jemand den Schlüssel abhören oder kopieren kann. Nur wer den originalen Quantenschlüssel und den verschlüsselten Datencode besitzt, kann die Daten lesen.“

Quanteninternet via Satellit

Quantenschlüssel lassen sich per Glasfaser aktuell nur bis zu Stecken von wenigen hundert Kilometern übertragen. Daten weltweit abhörsicher zu versenden erfordert deswegen eine Quantenkommunikation beispielsweise über Satelliten. Dazu sind standardisierte Verfahren sowie zertifizierte Geräte notwendig.

Ein weiterer Schritt ist das Vernetzen von Quantencomputern, vergleichbar dem heutigen Internet. „Ein Quanteninternet könnte ganze Quantencomputer-Rechenzentren verbinden, ohne die Rechenbasis auf Quantenebene bei der Datenübertragung zu verlassen. Damit erweitern sich die Möglichkeiten zum Bearbeiten und Verschlüsseln von Daten erheblich, beispielsweise durch Verschränken von Quantenobjekten über verschiedene Standorte hinweg“, sagt Matthias Zimmermann.

Schlüsseltechnologien für ein Quanteninternet

Für die Quantenkommunikation per Satellit und ein Quanteninternet entwickelt das DLR-Institut für Quantentechnologien notwendige Schlüsselkomponenten, wie Quantenspeicher und Photonenquellen. Dazu zählen auch Quantensensoren, die genauere Messungen ermöglichen, beispielsweise für Navigation, zur Erdbeobachtung, in der vernetzten Mobilität bis hin zur Werkstoffforschung.

Das DLR bringt zusammen mit anderen Forschungseinrichtungen und der Industrie seine Expertise in optischer Kommunikation mit Lasern über große Distanzen und der Satellitenkommunikation in zahlreiche Projekte ein. Mit diesen Technologien ist das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation beispielsweise an der QuNET-Initiative beteiligt.

Die Entwicklung von Quantencomputern an den Innovationszentren der DLR Quantencomputing-Initiative (DLR QCI) verfolgt mit ihrem Ökosystem-Ansatz eine strategisch wichtige Zukunftsperspektive. Das DLR, die Industrie und Start-ups entwickeln hier Hard- und Software für Quantencomputer.

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Kontakt

Dr. Jens Mende

Kommunikation Stuttgart und Ulm
Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Kommunikation
Pfaffenwaldring 38-40, 70569 Stuttgart
Tel: +49 711 6862-229

Dr. Matthias Zimmermann

Gruppenleiter
Institut für Quantentechnologien
Quanteninformation und -kommunikation
Wilhelm-Runge-Str. 10, 89081 Ulm