Forschungsverbund zur Quantenkommunikation gestartet

BMBF fördert Verbundprojekt mit 35 Millionen Euro für drei Jahre / JGU mit Teilprojekt zur theoretischen Modellierung und experimentellen Realisierung beteiligt

01.12.2021

Die Digitalisierung schreitet voran, gleichzeitig braucht der wachsende Austausch sensibler Daten mehr Sicherheit. Ein Kommunikationsnetz, das auf den Gesetzen der Quantenphysik beruht, ist wegen der physikalisch garantierten Abhörsicherheit ein wichtiger Ansatz. Das Verbundprojekt "Quantenrepeater.Link" (QR.X) verfolgt dieses Ziel. Es wird für drei Jahre vom Bundesforschungsministerium (BMBF) mit rund 35 Millionen Euro gefördert. Koordiniert wird es von Prof. Dr. Christoph Becher von der Universität des Saarlandes. Die Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist mit einem Teilprojekt an dem Verbund beteiligt.

Quantenkommunikation für Glasfaser-Netzwerke mit langen Reichweiten angestrebt

Größer werdende Rechenleistungen und die Aussicht auf Quantencomputer machen aktuelle Verschlüsselungsverfahren angreifbar, denn ein Quantencomputer könnte, wenn er speziell fürs Codeknacken programmiert wird, gängige Verschlüsselungsverfahren auf herkömmlichen Rechnern überwinden. Werden die Schlüssel allerdings über Lichtteilchen, sogenannte Photonen, ausgetauscht, garantieren physikalische Gesetze, dass mögliche Abhörversuche aufgedeckt werden können. "Soll Quantenkommunikation eine zukunftsträchtige Technologie werden, muss sie auch in flächendeckenden und langreichweitigen Glasfaser-Netzwerken zuverlässig funktionieren", sagt der Experimentalphysiker Christoph Becher, Professor für Quantenoptik an der Universität des Saarlandes.

Er leitet einen Verbund von insgesamt 43 Partnern aus Wissenschaft und Wirtschaft, der eine der technologisch größten Herausforderungen verfolgt: die Entwicklung von Quantenrepeatern und deren Integration in bestehende Glasfasernetze. Durch unvermeidbare Leitungsverluste ist Quantenkommunikation derzeit auf wenige Hundert Kilometer begrenzt. Im Gegensatz zu konventioneller optischer Kommunikation können diese Verluste aber nicht durch Signalverstärkung kompensiert werden. Stattdessen erschließen Quantenrepeater große Distanzen durch die Verknüpfung kurzer Teilabschnitte mittels weiterer Quantenprozesse.

Tests außerhalb der geschützten Laborumgebung geplant

Der nun geförderte Verbund "Quantenrepeater.Link" geht aus dem Vorgängerprojekt "Q.Link.X" hervor, in dem bereits grundlegende Bausteine von Quantenrepeatern entwickelt wurden. Im neuen Projekt sollen diese Komponenten nun optimiert und in Glasfaser-Teststrecken außerhalb geschützter Laborumgebungen integriert werden. Hauptziel ist die Demonstration einer elementaren Quantenrepeaterstrecke über eine Distanz von bis zu 100 Kilometern. Dazu werden vielversprechende Ansätze basierend auf unterschiedlichen Materialsystemen verfolgt und weiterentwickelt. Durch die Anstrengungen des Verbundes sollen technologische Hürden überwunden und der serienmäßige Bau eines Quantenrepeaters perspektivisch ermöglicht werden. Offizieller Start des Forschungsverbundes war am 1. August 2021.

Im Verbund haben sich 43 Partner aus universitären Forschungseinrichtungen, wirtschaftsnahen Instituten sowie verschiedenen Unternehmen wie der Deutschen Telekom zusammengeschlossen. Die Einbindung industrieller Partner sowie eines externen Beratergremiums soll bei der Bewertung der Forschungsergebnisse im Hinblick auf die Realisierbarkeit helfen. Durch die Anmeldung von Patenten sowie gezielte Förderung von Ausgründungen sollen die Ergebnisse des Konsortiums nachhaltig gesichert werden.

Teilprojekt der JGU widmet sich sowohl der theoretischen Modellierung als auch der experimentellen Realisierung

Im zugehörigen Teilprojekt der JGU wird sowohl experimentell als auch theoretisch zur Quantenkommunikation geforscht. "Dabei konzentrieren sich die Experimente auf eine spezielle Plattform, nämlich sogenannte Defektzentren in Diamant", teilen Prof. Dr. Peter van Loock und Prof. Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler vom Institut für Physik mit. Peter van Loock leitet das Teilprojekt an der JGU und betreut die theoretischen Arbeiten. Ferdinand Schmidt-Kaler widmet sich experimentellen Aufgaben. Die experimentellen Silizium-Farbzentren zeichnen sich durch eine schmalbandige Lichtemission aus, die für die räumliche Verteilung sogenannter verschränkter, quantenmechanischer Zustände über Einzelphotonen-Emission und -Detektion genutzt werden soll. Neben den Farbzentren werden im Verbundprojekt auch Atome, Ionen sowie Halbleitersysteme im Hinblick auf Quantenrepeater experimentell erforscht. Das JGU-Theorieprojekt ist dabei federführend bei der theoretischen Modellierung der Quantenrepeater über alle Plattformen. Theoretisch werden auch neue Konzepte untersucht, die auf einer Hybridisierung verschiedener Hardware-Plattformen beruhen oder Techniken der Quantenfehlerkorrektur in die Repeater-Protokolle einbauen.