Technologie

Quantenschlüssel fliegen frei

29.11.2022 - Teststrecke für Quantenkommunikation in Jena erreicht Spitzenwerte.

Hoch oben über den Dächern von Jena, auf dem Dach der Stadtwerke Jena in der Rudolstädter Straße, steht ein grüner Container. In seinem Innern verbirgt sich Bob. Bob ist ein Teleskop, oder um genauer zu sein, eine Empfangs­station für eine lokale Teststrecke für neuartige Kommunikations­systeme. Und wo Daten empfangen werden, muss es auch jemanden geben, der Daten sendet. Dies ist Alice – ein weiteres Teleskop. Sie steht 1,7 Kilometer Luftlinie entfernt in einem Labor des Fraunhofer IOF auf dem Beutenberg Campus.

 

Doch obwohl zwischen Bob und Alice eine halbe Stadt liegt, wissen beide miteinander zu reden – und das sogar auf äußerst vertrauliche und abhörsichere Art und Weise, denn sie nutzen Quanten­kommunikation. Hierbei handelt es sich um ein Kommunikations­system, das es praktisch unmöglich macht, Daten unbemerkt abzuhören. Aus diesem Grund ist die Quanten­kommunikation schon heute für all jene Anwendungen von großem Interesse, wo sensible Daten langfristig geschützt und archiviert werden müssen, etwa bei Daten von Behörden und Regierungs­einrichtungen, Gesundheits­daten von Bürgern oder auch bei Konto- und Bankdaten.

Das Fraunhofer IOF widmet sich schon seit mehreren Jahren der Erforschung der Quanten­kommunikation. Mit einer lokalen Teststrecke zwischen dem Instituts­gebäude und den Jenaer Stadtwerken wird seit 2021 der Austausch von Quanten­schlüsseln via Freistrahl, also durch die Luft hindurch, erforscht. Die Teststrecke erlaubt es den Forschern, schnell und unkompliziert neuste Systeme zur Quantenkommunikation in einer realen und anwendungsnahen Umgebung testen zu können – etwa Photonen­quellen, Teleskop­optiken oder spezielle Messsysteme.

Bereits 2021 haben die Forscher auf der Teststrecke erstmals erfolgreich einen quanten­sicheren Schlüssel zwischen den beiden Standorten ausgetauscht. Der Schlüssel sorgt dafür, dass kein Dritter die Kommunikation zwischen Bob und Alice unbemerkt abhören kann. Dabei erreichten die Wissenschaftler Schlüssel­generierungs­raten von bis zu 2000 Byte pro Sekunde. Für den Austausch eines Quanten­schlüssels innerhalb eines urbanen Gebietes gehört diese Generierungs­rate weltweit zu den höchsten. Sie würde zum Beispiel ausreichen, um ein Telefonat innerhalb einer Stadt problemlos hochsicher zu verschlüsseln.

Der Beweis, dass die Quanten­kommunikation nachweislich sicher arbeitet, ist damit von den Mitarbeitern des Fraunhofer IOF erbracht. Im nächsten Schritt geht es ihnen darum, zu untersuchen wie die Hardware, die zur Verteilung der Schlüssel notwendig ist, in Zukunft effizienter und kostengünstiger produziert werden kann. Denn nur so lassen sich Prototypen entwickeln, die in Industrie und Wirtschaft zum Einsatz kommen und damit eine Verbreitung der Quanten­kommunikation im Alltag ermöglichen können. Speziell die Initiative QuNET, ein mit 125 Millionen Euro vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung gefördertes und am Fraunhofer IOF koordiniertes Pilotprojekt, hat es sich dabei zum Ziel gesetzt, eine Grundlage für sichere und robuste IT-Netze zu schaffen, die schon heute gegen Cyber­angriffe von morgen gewappnet sind. Erste Anwender dieser neuartigen Quanten­kommunikation werden voraussichtlich Behörden oder Banken sein.

Obwohl damit auf der Teststrecke bereits der erste große Meilenstein erreicht wurde, gibt es noch zahlreiche Heraus­forderungen auf dem Weg zu einer praxisnahen Quanten­kommunikation im Alltag. Demnach ist die Nutzung der Quanten­kommunikation derzeit zum Beispiel nur auf die Nachtzeit beschränkt, wenn der Austausch von Quanten­schlüsseln nicht durch Sonnenlicht beeinträchtigt werden kann. Um dem entgegenzu­wirken, arbeiten die Jenaer Forscher derzeit an speziellen Filtern. Sie sollen es dem System künftig ermöglichen, unabhängig von den Licht­verhältnissen und damit auch am Tag arbeiten zu können.

Darüber hinaus plant das Team mittelfristig die Implementierung eines heterogenen Netzwerks. Dabei wird die Freistrahl­strecke mit einer Faser­verbindung zwischen Jena und Erfurt gekoppelt. Erst im September war es so gelungen, auf der 75 km langen Faser­strecke erstmals erfolgreich Quanten­schlüssel auszutauschen.

Durch die Kombination von Freistrahl- und Fasertechnologie wird die Quanten­kommunikation in Zukunft nicht nur über vergleichsweise kurze Distanzen, etwa im inner­städtischen Bereich, sondern auch in größeren Metropol­regionen nutzbar. Mithilfe von Sendern auf Kleinst­satelliten, die im Weltall stationiert sind und die ebenfalls am Fraunhofer IOF in Jena entwickelt werden, sind langfristig auch sichere Verbindungen über den gesamten Planeten möglich.

Fh.-IOF / DE

 

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