QuNET - abhörsichere, quantenbasierte Kommunikationsnetzwerke

Quantenschlüsselverteilung via Satellit

Das Ziel von QuNET ist eine abhör- und manipulationssichere Kommunikation der Zukunft.

Die Forschungsinitiative QuNET (Quantum Network) wurde 2019 gegründet und ist auf sieben Jahre angelegt. Ihr Ziel ist es, unter Verwendung verschiedener Technologien die Grundlagen und eigene Kompetenzen für abhörsichere, quantenbasierte Kommunikationsnetzwerke in Deutschland und Europa zu schaffen und damit den Grundstein für die sichere Kommunikation der Zukunft zu legen. Auch soll sie wegweisend für ein zukünftiges „Quanteninternet“ sein. Denn die Übertragung von Quantenzuständen über Glasfaser oder Freistrahl kann auch dafür genutzt werden, Quantencomputer effizient miteinander zu verbinden. Dabei müssen die entstehenden Netzwerkkomponenten verschiedene Protokolle und Technologien unterstützen, um so auch für zukünftige Entwicklungen die notwendige Flexibilität vorzuhalten.

Die Forschungsinitiative QuNET wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert und vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF), Jena geleitet. Weitere Projektpartner sind das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik (Heinrich-Hertz-Institut HHI), Berlin, das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL), Erlangen und die Friedrich-Alexander-Universität (FAU), Erlangen-Nürnberg.

Das DLR arbeitet dabei an praxistauglichen Lösungen der satellitenbasierten Quantenkommunikation, um Schlüssel über große Distanzen sicher und effizient zu vereinbaren. In der Glasfaser ist dies nur über wenige 100 Kilometer möglich. Die Quantenverschlüsselung via Satellit hingegen ermöglicht beliebig größere Distanzen auf der Erde.

QuNET - Empfangs-Terminal
Das Empfangs-Terminal, das unter Forschern auch Bob-Terminal genannt wird, empfängt und misst die Quantenzustände. In der Freistrahlübertragung werden die Wellenfronten der Quantenzustände durch die turbulenten Luftschichten in der Atmosphäre verzerrt. Mit Hilfe modernster Technik, der sogenannten Adaptiven Optik, werden die Wellenfrontverzerrungen erkannt und in Echtzeit durch deformierbare Spiegel kompensiert.
Bild: 1/5, Credit:
DLR
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QuNET - Sende-Terminal
Das Sende-Terminal, das unter Forschern auch Alice-Terminal genannt wird, sendet Licht im optischen Wellenlängenbereich für die Quantenkommunikation. Dieses weltraumtaugliche Terminal ist für den Einsatz auf Satelliten optimiert.
Bild: 2/5, Credit:
DLR (CC BY-NC-ND 3.0)
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QuNET - Satellitenbasierte Quantenschlüsselverteilung
Satellitenbasierte Quantenkommunikation soll die sichere und effiziente Vereinbarung von Schlüsseln über große Distanzen hinweg ermöglichen. In der Glasfaser ist dies nur über wenige 100 Kilometer möglich. Die Quantenverschlüsselung via Satellit hingegen ermöglicht beliebig größere Distanzen auf der Erde.
Bild: 5/5, Credit:
DLR
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Fortschritte auf dem Weg zu komplexen Quantenkommunikationsnetzwerken

28. Juli 2023

Initiative QuNET: Der hochsicheren Quantenkommunikation wieder ein Stück näher

Forschende aus Jena, Berlin, Erlangen-Nürnberg und Wessling haben erfolgreich Quantenschlüssel zwischen zwei Punkten mit einer Kombination aus Freistrahl- und Faserverbindungen unter Alltagsbedingungen ausgetauscht. Auf einer heterogenen Teststrecke in Jena erreichten sie bei Tageslicht Schlüsselübertragungsraten im Kilobit-Bereich pro Sekunde. Umgesetzt wurde das Experiment im Rahmen der QuNET-Initiative, einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Pilotprojekt zur Entwicklung hochsicherer Kommunikationssysteme basierend auf Quantentechnologien.

10. August 2021

Erste quantengesicherte Videokonferenz zwischen zwei Bundesbehörden

Es war ein Vorgeschmack auf die Kommunikation der Zukunft – oder besser: die „Datensicherheit" der Zukunft. Denn als Bundesforschungsministerin Anja Karliczek heute zu einer Videokonferenz mit dem Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) einlud, war zumindest augenscheinlich für den Außenstehenden alles beim Alten: gemeinsam mit Andreas Könen, Abteilungsleiter CI „Cyber- und IT-Sicherheit“, Bundesministerium des Innern, für Bau und Heimat (BMI) und BSI-Vizepräsident Dr. Gerhard Schabhüser unterhielt sich die Ministerin via Videostream.

Unser Beitrag

Das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation blickt auf eine über 20-jährige Forschung und bahnbrechende Ergebnisse im Bereich der optischen Datenübertragung im Freiraum zurück. Für QuNET bringen die Wissenschaftler ihre Expertise in der satellitenbasierten Quantenkommunikation ein und sind für den freistrahlbasierten Kommunikationskanal verantwortlich, in welchem die Quantenzustände zwischen Satelliten und Erde übertragen werden. Die Anforderungen an die Signalqualität und die Übertragungseffizienz gehören dabei zu den größten Herausforderungen. Das Satellitensystem wird mit verschiedenen quantentechnischen Quellen ausgestattet, um eine optimale Anbindung an ein heterogenes Quantennetzwerk zu gewährleisten. Dies beinhaltet beispielsweise Einzelphotonenquellen, Verschränkungsquellen oder anders aufgebaute Sendemodule zur Quantenschlüsselverteilung.

Bei der Übertragung der Quantenzustände ist eine möglichst hohe Signalqualität wichtig. Deswegen muss die satellitenseitige sende- und bodenseitige Empfangsoptik so gestaltet werden, dass die Quantenzustände möglichst ungestört übertragen werden und die Strahlausrichtung extrem präzise gestaltet werden kann. Die Forschungsarbeiten des DLR beinhalten auch eine ausführliche Kanalcharakterisierung, um dessen Einfluss auf die Zustandsübertragung quantifizieren zu können.

Rekord mit 13,12 Terabits pro Sekunde

Die optische Datenübertragung ermöglicht Datenübertragungen mit sehr hohen Datenraten. Den Rekord stellte das Institut zusammen mit ADVA Optical Networking im November 2017 auf. Dabei gelang es auf einer für Satelliten relevanten Distanz 13,16 Terabits pro Sekunde zu übertragen. Auf solchen Arbeiten aufbauend forscht das Institut auch seit einigen Jahren in Zusammenarbeit mit verschiedenen Partnern an der satellitenbasierten Quantenkommunikation.

Erstmals Übertragung eines Quantenschlüssels vom Flugzeug

Eine besondere Demonstration gelang Mitarbeitenden des Instituts gemeinsam mit der Ludwig-Maximilians-Universität München im Jahr 2011. Erstmals wurde erfolgreich zwischen einem Flugzeug und einer Bodenstation ein Quantenschlüssel erzeugt - ein wichtiger Schritt hin zu einer weltweiten abhörsicheren Datenkommunikation. Für diese Arbeiten wurde 2015 der Erwin-Schrödinger-Preis des Stifterverbands verliehen.