QuNET - secure, quantum-based communication networks

Quantum key distribution via satellite

The mission of QuNET is to make the communications of the future secure against eavesdropping and tampering.

The QuNET (Quantum Network) research initiative was founded in 2019 and is scheduled to run for seven years. Its goal is to use various technologies to create the foundations and in-house expertise for tap-proof, quantum-based communication networks in Germany and Europe, thus laying the foundation for secure communications of the future. It is also intended to lead the way for a future "quantum Internet." This is because the transmission of quantum states via optical fibers or free beams can also be used to efficiently interconnect quantum computers. The resulting network components must support various protocols and technologies in order to provide the necessary flexibility for future developments.

The QuNET research initiative is funded by the German Federal Ministry of Education and Research and led by Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik  (IOF), Jena. Other project partners are the Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik (Heinrich-Hertz-Institut HHI), Berlin, the Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL), Erlangen and the Friedrich-Alexander-Universität (FAU), Erlangen-Nürnberg.

DLR is working on practical solutions for satellite-based quantum communication to securely and efficiently distribute keys over long distances. In optical fiber, this is only possible over a few 100 kilometers. Quantum encryption via satellite, on the other hand, enables arbitrarily larger distances on Earth.

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.
Image: 1/8, 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.
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Empfangsstation bei der Vorbereitung für das Flugexperiment
In der Flugkampagne haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler im Rahmen der QuNET-Initiative erfolgreich eine optische Verbindung – also eine Verbindung über Laserstrahlen – zwischen dem Forschungsflugzeug DO-228 CFFU und einer mobilen Bodenstation hergestellt. Die Experimente haben gezeigt, dass ein Kanal zur Übertragung der Lichtteilchen aufgebaut werden kann. Mit den Lichtteilchen werden quantenkryptografische Schlüssel erzeugt.
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Progress towards complex quantum communication networks

October 2024

Video: QuNET - Key Experiment 3 (Trailer )

In key experiment 3 of the QuNET initiative, we are taking to the skies! The preparations are complete – acceptance, tests, certifications, installation in the aircraft... In the next step, the optical link will be tested in a flight campaign.

January 20, 2025

Laseroptischer Kanal zwischen Forschungsflugzeug und Bodenstation aufgebaut

Um die Quantenkryptografie weiter voranzubringen, beteiligt sich das DLR am Projekt QuNET, in dem Systeme zur quantengesicherten Kommunikation aufgebaut werden. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem DLR-Institut für Kommunikation und Navigation haben die Verbindung zwischen einem Forschungsflugzeug und einer Bodenstation mit Laserstrahlen, also mit gebündeltem Licht, getestet.

July 28, 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.

August 10, 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.

Our Contribution

The DLR Institute of Communications and Navigation looks back on more than 20 years of research and groundbreaking results in the field of free-space optical data transmission. For QuNET, the scientists contribute their expertise in satellite-based quantum communication and are responsible for the free-space communication channel in which quantum states are transmitted between satellites and Earth. The signal quality and transmission efficiency requirements are among the major challenges. The satellite system will be equipped with various quantum sources to ensure optimal connectivity to a heterogeneous quantum network. This includes, for example, single photon sources, entanglement sources, or differently constructed transmitter modules for quantum key distribution.

When transmitting quantum states, it is important to achieve the highest possible signal quality. For this reason, the satellite-side transmitting and ground-side receiving optics must be designed in such a way that the quantum states are transmitted with as little interference as possible and the beam alignment can be made extremely precise. DLR's research also includes detailed channel characterization to quantify its influence on state transmission.

Record with 13,12 Terabits per second

Optical data transmission enables data transfers at very high data rates. The institute set the record together with ADVA Optical Networking in November 2017. It succeeded in transmitting 13.16 terabits per second over a distance relevant to satellites. Building on such work, the institute has also been researching satellite-based quantum communication for several years in collaboration with various partners.

Transmission of a quantum key from an aircraft for the first time

A special demonstration was achieved in 2011 by employees of the institute together with the Ludwig-Maximilians-Universität Munich. For the first time, a quantum key was successfully generated between an aircraft and a ground station - an important step towards worldwide tap-proof data communication. In 2015, the Erwin Schrödinger Prize of the Stifterverband was awarded for this work.

Project partners:

Project duration: 2019-2026

Project website: QuNET-Initiative - QuNET

Credit:

BMBF