Datenübertragung

Mit Quantenkommunikation Daten sicher übertragen

| Redakteur: Katharina Juschkat

Steigende Cyberangriffe und Digitalisierung brauchen auch neue Lösungen bei der sicheren Datenübertragung. Eine Lösung für die Zukunft könnte die Quantenkommunikation sein.

Die Quantenverschlüsselung ermöglicht es, die Sicherheit der Datenübertragung auf die Gültigkeit grundlegender Gesetze der Quantenphysik zurückzuführen. Im Bild: Eine optische Bodenstation des DLR, Teil des Projektes zur Quantenkommunikation.
Die Quantenverschlüsselung ermöglicht es, die Sicherheit der Datenübertragung auf die Gültigkeit grundlegender Gesetze der Quantenphysik zurückzuführen. Im Bild: Eine optische Bodenstation des DLR, Teil des Projektes zur Quantenkommunikation.
(Bild: DLR / Enno Kapitza)

Sichere Kommunikationsnetzwerke sind ein dringendes Thema der Digitalisierung. Cyberangriffe auch auf Industrieunternehmen nehmen aktuell zu. Hinzu kommt, dass neueste technologische Fortschritte in der Entwicklung von Quantencomputern neue Wege der Datenübertragung erforderlich machen. Diese künftigen Hochleistungsrechner werden in der Lage sein, wichtige kryptografische Verfahren unserer heutigen digitalen Kommunikation zu brechen und so den sicheren Datenverkehr zu gefährden.

Quantenkommunikation wiederum ermöglicht es, dieser Gefährdung entgegen zu treten und sensible Informationen so zu übertragen, dass deren Vertraulichkeit gewahrt bleibt. Dabei werden Quantenzustände zur Verteilung kryptographischer Schlüssel eingesetzt, die aufgrund fundamentaler quantenphysikalischer Gesetze weder kopiert noch mitgelesen oder gar manipuliert werden können.

Das jetzt gestartete Forschungsprojekt „Qunet“ – Quantum Network – will die Grundlagen für ein nationales Quantennetzwerk schaffen. Zur Forschungsinitiative gehören:

  • Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF (Koordinator)
  • Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik (Heinrich-Hertz-Institut) HHI
  • Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts
  • Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR)
Deutschland und Europa sollen der vertrauenswürdigste Datenraum der Welt werden. Die Arbeit von Qunet wird uns diesem Ziel ein großes Stück näherbringen.

Anja Karliczek, Bundesforschungsministerin

Quantenkommunikation erforschen und Infrastruktur errichten

Die Forscherinnen und Forscher werden in der ersten Phase Qunet Alpha Quantenkommunikationstechnologien für hybride Kommunikationssysteme erforschen und eine quantengesicherte Pilotstrecke zwischen Bundeseinrichtungen aufbauen. Die erste Projektphase soll bis Ende 2020 laufen.

In weiteren Projektphasen zielt die Initiative auf die Anschlussfähigkeit an weitere europäische Quantennetz-Initiativen ab. In enger Zusammenarbeit mit der deutschen Wirtschaft und dem Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik will Qunet dazu eine deutsche Quantenkommunikationsinfrastruktur implementieren. Damit schafft das Projekt wichtige Grundlagen für eine quantengesicherte Kommunikation, die in Zukunft über die Bundesbehörden hinaus auch der Industrie sowie Bürgerinnen und Bürgern Sicherheit in der digitalen Welt bieten wird.

Datensicherheit ist ein Grundrecht .

Prof. Andreas Tünnermann, Leiter Fraunhofer IOF

Forscher arbeiten an neuen Hochleistungsquellen für Photonenpaare

Das Fraunhofer IOF übernimmt im Projekt die Koordination und bringt unter anderem seine Expertise in folgenden Bereichen ein:

  • Optische Quantentechnologien
  • Präzisionsmechanische Systeme
  • Adaptive Optik

Neben einer mobilen Open Science Plattform („Qubus“) und Freistrahl‐Experimenten zur Quantenschlüsselverteilung arbeiten die Jenaer Kolleginnen und Kollegen beispielsweise an neuen Hochleistungsquellen für Photonenpaare.

Satellitenbasierte Quantenkommunikation

Das SLR arbeitet an praxistauglichen Lösung zur Quantenkommunikation über Satelliten. Im Bild eine Laserstrahl-Ausrichteeinheit des Projekts.
Das SLR arbeitet an praxistauglichen Lösung zur Quantenkommunikation über Satelliten. Im Bild eine Laserstrahl-Ausrichteeinheit des Projekts.
(Bild: Qunet Laserstrahl Ausrichteeinheit / Qunet Laserstrahl Ausrichteeinheit / DLR / CC BY 3.0 / CC BY 3.0)

Das DLR arbeitet dabei an praxistauglichen Lösungen der satellitenbasierten Quantenkommunikation, um Schlüssel über große Distanzen hinweg sicher zu vereinbaren. Bisher ist dies nur über wenige hundert Kilometer möglich. Unter Einsatz von Satelliten können Schlüssel hingegen prinzipiell zwischen beliebigen Orten auf der Erde vereinbart werden.

Da die Protokolle der Quantenkommunikation die Handhabung einzelner Photonen erfordern, muss die Übertragung sehr effizient sein, das heißt möglichst viele der gesendeten Photonen müssen zur Schlüsselerzeugung beitragen. Außerdem müssen Fremdeinstrahlungen vermieden werden. Die Atmosphäre ist dabei sowohl im Bezug auf Dichteschwankungen als auch durch Streuprozesse störend.

Das DLR-Team trägt in der ersten Projektphase ein Testsystem am Boden bei, das verschiedene Quanten-Quellen und -Empfänger verbinden wird. Dazu können die Wissenschaftler auf eigene frühere Entwicklungen zurückgreifen: Insbesondere wird die Systemtechnik des Osiris-v3-Laserkommunikationsterminals als Basis der Sendeeinheit für die Quantenkommunikation genutzt, während auf der Empfängerseite Entwicklungen aus dem Multi-Terrabits-pro-Sekunde-Übertragungssystem Thrust genutzt werden.

Photonisch integrierte Schaltkreise für das Quantennetz

Das Fraunhofer HHI ist weltweit führend in der Erforschung mobiler und optischer Kommunikationsnetze sowie in der Kodierung von Videosignalen und deren Verarbeitung. Am HHI entwickelte photonisch integrierte Schaltkreise sind weltweit bei der Übertragung hoher Datenraten durch Glasfasernetze im Einsatz. Im Projekt steuert das Institut seine Expertise in photonisch integrierten Schaltkreisen (PICs) für das Quantennetz sowie in Test und Management von Glasfasernetzen bei.

Grundlagenforschung zur Quantenoptik

Das MPL bringt seine Expertise in der Quantenkommunikation in das Gesamtkonzept und die Sicherheitsanalyse durch interdisziplinäre Fragestellungen ein. Dies umfasst die Grundlagenforschung in der Quantenoptik sowie informationstheoretische und technische Aspekte. Gleichzeitig entwickelt das MPL zusammen mit den anderen Partnern neue Quantenquellen, Techniken für die effiziente Kopplung an Quantengattern und Systeme für die Quantenschlüsselverteilung, die effizient mit klassischen Telekommunikationstechniken zusammenarbeiten.

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