Datensicherheit Verbundprojekt will Quantentechnologie vorantreiben

Redakteur: Rebecca Vogt

Physikalisch abhörsichere Netzwerke auf Glasfaser-Basis sind das Ziel eines Verbundprojekts, das sich mit der Quantentechnologie beschäftigt. Die beteiligten Forschungseinrichtungen wollen die bisher begrenzten Übertragungsstrecken der Quanteninformation verlängern.

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Mikrotürmchen mit Quantenpunkten sollen dabei helfen, die Datenkommunikation abhörsicher zu machen.
Mikrotürmchen mit Quantenpunkten sollen dabei helfen, die Datenkommunikation abhörsicher zu machen.
(Bild: Tobias Huber)

Im Zuge der voranschreitenden Digitalisierung werden Datensicherheit und sichere Kommunikation immer wichtiger. Einen vielversprechenden Ansatz sehen Forscher diesbezüglich in der Quantenkommunikation: Sie nutzt als Informationsträger Quantenzustände, die aufgrund fundamentaler physikalischer Gesetze weder kopiert noch unbemerkt mitgelesen werden können.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) will den Aufbruch in die Quantentechnologie unterstützen und fördert zu diesem Zweck das neue Verbundprojekt „Quanten-Link-Erweiterung“ (Q-Link-X) über einen Zeitraum von drei Jahren mit 14,8 Mio. Euro. „Das Ziel sind physikalisch abhörsichere Netzwerke auf der Basis von Glasfasern“, berichtet Prof. Dieter Meschede vom Bonner Institut für Angewandte Physik.

Übertragung der Quanteninformation auf weniger als 100 km begrenzt

Bislang stößt dieser Paradigmenwechsel in der Daten- und Nachrichtenverschlüsselung – weg von algorithmischen Verfahren hin zur Quantentechnologie – noch an Grenzen. So kommt es etwa bei der Übertragung von Quanteninformation mit Lichtteilchen (Photonen) zu unvermeidbaren Leitungsverlusten, wodurch die Übertragungsstrecken bisher auf weniger als 100 km begrenzt sind.

„Mit Quantenrepeatern soll diese Grenze ohne Sicherheitseinschränkungen überwunden werden“, erklärt Meschede. Repeater (Wiederholstationen) sind in der Kommunikationstechnik Signalverstärker oder -aufbereiter. Sie empfangen Signale und senden sie in aufbereiteter Form weiter. Auf diese Weise kann die Reichweite der Signale erhöht und eine größere Distanz überbrückt werden. Wie die Julius-Maximilians-Universität (JMU) Würzburg mitteilt, will man im Rahmen des BMBF-Projekts die Entwicklung solcher Quantenrepeater vorantreiben.

Die Forscher greifen dabei auf drei verschiedene technische Plattformen zurück: Quantenpunkte, Diamant-Farbzentren sowie eine Kombination aus atomaren und ionischen Systemen. So sollen Übertragungsstrecken von zunächst bis zu 10 oder 100 km realisiert werden. Gleichzeitig will man die Vorteile der jeweiligen Systeme gegenüberstellen.

Schlüsseltechnologie Quantenrepeater

„In Q-Link-X werden erstmals nicht nur einzelne Komponenten eines Quantenrepeaters, sondern komplette Kommunikationsstrecken erforscht und entwickelt“, berichtet Meschede. Die Arbeiten sollen eine Technologie vorbereiten, mit der sich später auch viel längere Strecken überbrücken lassen – von einigen 100 bis zu einigen 1000 km über Glasfaser.

Insgesamt haben sich im Q-Link-X-Verbund 24 Partner aus verschiedenen Forschungseinrichtungen – von Universitäten bis zu Industrielabors – zusammengefunden, um die Schlüsseltechnologie der Quantenrepeater zu erforschen. Die Julius-Maximilians-Universität erhält nach eigenen Angaben aus dem Verbundprojekt über 1,2 Mio. Euro. Auf dem Würzburger Hubland-Campus soll unter der Leitung von Prof. Sven Höfling am Lehrstuhl für technische Physik daran gearbeitet werden, ein Segment für Quantenrepeater zu bauen, das auf Halbleiterquantenpunkten in Mikrotürmchen basiert.

Mikrotürmchen mit Quantenpunkten

Wie die Universität mitteilt, entwirft und baut das Projektteam die Mikrotürmchen und fügt sie am Ende in die Kommunikationsstrecke ein. In den Quantenpunkten der Türmchen wird Quanteninformation aus einem Photon gespeichert, anschließend ausgelesen und wieder in ein Photon codiert. „Durch die Interferenz von zwei Photonen, die von zwei entfernten Quantenpunkten stammen, kann ein verschränkter Quantenzustand erzeugt werden, der zugleich in den beiden entfernten Quantenpunkten existiert“, erklärt Physiker Dr. Tobias Huber von der JMU. Dieser Zustand könne anschließend an beiden Quantenpunkten wieder ausgelesen werden. In einem Netzwerk sollte sich dieser Zustand nach Ansicht der Wissenschaftler dann sequenziell von Repeater zu Repeater weitergeben lassen, wodurch beliebige Distanzen überbrückbar würden.

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