10.10.18 08:44

BMBF fördert Verbundprojekt mit HHU-Beteiligung zur schnellen und abhörsicheren Kommunikation

Aufbruch in die Quantentechnologie

Von: Redaktion / Arne Claussen

Datensicherheit und sichere Kommunikation sind für die digitalisierte Welt von großer Bedeutung. Die Quantenkommunikation ist hierfür ein vielversprechender Ansatz: Sie nutzt Quantenzustände als Informationsträger, die aufgrund fundamentaler physikalischer Gesetze weder kopiert noch unbemerkt mitgelesen werden können. Diesen Aufbruch in die Quantentechnologie unterstützt das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), indem es das neue Verbundprojekt „Quanten-Link-Erweiterung“ (Q.Link.X) mit insgesamt 14,8 Millionen Euro fördert. Theoretische Physiker der Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf (HHU) um Prof. Dr. Dagmar Bruß sind daran beteiligt.

In der Quantenschlüsselverteilung wollen zwei Parteien (Alice und Bob) einen gemeinsamen zufälligen Bitstring herstellen. Dazu benutzen sie Quantenzustände sowie den Austausch von klassischer Information. Die Quantenzustände werden gemessen, wobei die Fragezeichen im Bild bedeuten, dass man keinerlei Annahmen über die Detektoren macht (sogenannte apparateunabhängige Sicherheit). Im Teilprojekt „Analyse der Quantensicherheit“ befassen wir uns mit theoretischen Sicherheitsanalysen für konkrete quantenoptische Implementationen der Schlüsselverteilung, insbesondere über große Distanzen. (Abbildung: HHU / Timo Holz)

„Das Ziel sind Glasfaser-Netzwerke, die physikalisch abhörsicher sind“, sagt Q.Link.X-Sprecher Prof. Dr. Dieter Meschede von der Universität Bonn. Dieser Paradigmenwechsel in der Nachrichtenverschlüsselung weg von konventionellen Verfahren und hin zur Quantentechnologie stößt jedoch auf eine technologische Herausforderung: Bei der Übertragung der Quanteninformation mit Lichtteilchen (Photonen) kommt es zu unvermeidbaren Leitungsverlusten, wodurch die Übertragungsstrecken bisher auf unter 100 Kilometer begrenzt sind. Mit „Quantenrepeatern“ soll diese Grenze ohne Sicherheitseinschränkungen überwunden werden. Repeater (englisch für Wiederholstationen) sind in der Kommunikationstechnik Signalverstärker und -aufbereiter. Anders als klassische Repeater muss der Quantenrepeater aber Signale verschiedener Teilstrecken mittels Quantenprozessen verknüpfen, um so größere Distanzen zu überbrücken.

Das Verbundprojekt Q.Link.X soll nun die Entwicklung von solchen Quantenrepeatern vorantreiben, die Quantenspeicher und Quantenkoppler einsetzen. Das vom BMBF für drei Jahre geförderte Projekt startete am 1. Oktober 2018. Mit Quantenpunkten, Diamant-Farbzentren und einer Kombination atomarer und ionischer Systeme als drei verschiedenen technischen Plattformen sollen Übertragungsstrecken zwischen zehn und 100 Kilometern realisiert werden. Die Vorteile der jeweiligen Systeme werden einander gegenübergestellt. Die Arbeiten sollen die Technologie vorbereiten, um in späteren Phasen auch viel längere Strecken zu überbrücken. In Q.Link.X werden erstmals nicht nur einzelne Komponenten eines Quantenrepeaters, sondern komplette Kommunikationsstrecken erforscht und entwickelt.

Im Q.Link.X-Verbund haben sich 24 Partner aus Forschungseinrichtungen von Universitäten bis zu Industrielabors zusammengefunden, um die Schlüsseltechnologie der Quantenrepeater zu erforschen. Von der HHU ist das Institut für Theoretische Physik III (Leitung: Prof. Dr. Dagmar Bruß) mit dem Teilprojekt „Analyse der Quantensicherheit“ beteiligt. Dort soll zum einen die Fehlerpropagation und Fehlerkorrektur in verrauschten Quantennetzwerken untersuchen werden. Zum anderen wollen die Düsseldorfer Forscherinnen und Forscher den Einfluss von Rauschen auf die erreichbare Sicherheit in quantenkryptographischen Verfahren analysieren. Denn auch wenn die Verschlüsselung mit quantenmechanischen Methoden im Prinzip
absolut sicher ist, muss untersucht werden, wie sicher sie noch ist, wenn experimentelle Ungenauigkeiten berücksichtigt werden.

Die enge Einbindung industrieller Partner und Berater soll die Realisierbarkeit aus industrieller und ingenieurstechnischer Sicht von vornherein erleichtern. Die Ergebnisverwertung in Deutschland soll durch Patente und Ausgründungen des Konsortiums gesichert werden.

24 Partner treiben gemeinsam „Q.Link.X“ voran

Folgende Partner sind an dem Projekt beteiligt: Rheinische Friedrich- Wilhelms-Universität Bonn, Technische Universität München, Technische Universität Dortmund, HighFinesse Laser and Electronic Systems GmbH, Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut Berlin, Technische Universität Berlin, Universität Stuttgart, Universität Paderborn, Universität des Saarlandes, Freie Universität Berlin, Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, Ruhr-Universität Bochum, Swabian Instruments GmbH, Leibniz Universität Hannover, Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching), Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Universität Bremen, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, Universität Ulm, Humboldt-Universität zu Berlin, Universität Kassel, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Karlsruher Institut für Technologie und Ludwig-Maximilians-Universität München.

undefinedWeitere Informationen zum Verbundprojekt.

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