08 Apr Quantenkommunikation über große Distanzen
Die große Herausforderung bei der Quantenkryptographie besteht darin, Daten über weite Distanzen zu übertragen. In der klassischen Kommunikation werden Informationen in viele Lichtteilchen kodiert und über Glasfasern verschickt. Die quantenverschlüsselte Information in einem einzelnen Lichtteilchen kann jedoch nicht kopiert werden, weshalb man das Lichtsignal nicht – wie bei der aktuellen Kommunikation über Glasfaserkabel – immer wieder verstärken kann. Dadurch können Informationen nur über einige 100 Kilometer übermittelt werden.
Um Informationen auch in andere Städte oder Kontinente zu übertragen, soll zukünftig der Aufbau der Atmosphäre genutzt werden. Ab einer Höhe von etwa zehn Kilometern ist die Atmosphäre so dünn, dass Licht weder gestreut noch absorbiert wird. Mithilfe von Satelliten soll es so möglich werden, Quantenkommunikation auch über weite Strecken zu betreiben.
Satelliten ermöglichen die Quantenkommunikation
Im Rahmen der QUICK³-Mission, einem Forschungsprojekt mit international beteiligten Forschenden, entwickelt Tobias Vogl, Professor für Quantum Communication Systems Engineering an der Technischen Universität München (TUM), gemeinsam mit seinem Team ein komplettes System mit allen Komponenten, die benötigt werden, um einen Satelliten für die Quantenkommunikation zu bauen. In seiner Forschung fokussiert sich Vogl auf optische Quantentechnologien in Festkörper-Kristallen. Insbesondere werden fluoreszierende Defekte im 2-D-Material hexagonales Bornitrid untersucht, die mit resonanten Nanostrukturen und photonischen Schaltkreisen kombiniert werden, um sie als Bauelemente für die Quanteninformationsverarbeitung und in Quantennetzwerken zu nutzen. In einem ersten Schritt hat das Team nach eigenen Angaben die einzelnen Komponenten des Satelliten individuell getestet. Im nächsten Schritt wollen sie das gesamte System im Weltraum erproben. Hierbei untersuchen die Forschenden, ob die Technik überhaupt den Bedingungen des Weltraums standhält und wie die einzelnen Komponenten des Systems zusammenarbeiten. Die Mission ist für 2025 geplant. Um für die Quantenkommunikation ein lückenloses Netz aufzubauen, werden allerdings hunderte oder sogar tausende Satelliten benötigt.
Hybrides Netzwerk zur Verschlüsselung
Doch nicht alle Informationen sollen zukünftig über diesen Weg übertragen werden, da das Verfahren sehr aufwendig und teuer ist. Vorstellbar ist ein hybrides Netzwerk, in dem Daten entweder mathematisch oder physikalisch verschlüsselt werden. Antonia Wachter-Zeh, Professorin für Codierung und Kryptografie, arbeitet daran, mathematisch so komplexe Algorithmen zu entwickeln, dass diese auch von einem Quantencomputer nicht gelöst werden können. Bei den meisten Informationen wird es auch zukünftig ausreichen, die Informationen mithilfe mathematischer Algorithmen zu verschlüsseln. Nur für besonders schützenswerte Dokumenten, die beispielsweise zwischen zwei Banken ausgetauscht werden, kommt zukünftig die Quantenkryptographie infrage.
Publikation:
[Najme Ahmadi et al., QUICK3 – Design of a Satellite-Based Quantum Light Source for Quantum Communication and Extended Physical Theory Tests in Space, Adv. Quantum Technol. (2024), https://doi.org/10.1002/qute.202300343]
Quelle: www.tum.de
Bild: Jens Meyer / Universität Jena
