Thought Leadership
Um in Zukunft großflächig in der bestehenden Telekommunikationsinfrastruktur eingesetzt werden zu können, müssen die Module für die abhörsichere Quantenkommunikation kleiner und robuster werden und im industriellen Maßstab herstellbar sein. Dieses Ziel haben zwei kürzlich angelaufene Forschungsprojekte mit Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) an der TU Berlin.
Sie beschäftigen sich vor allem mit dem Herzstück dieser Module – den Quellen für einzelne Lichtteilchen. Für die langfristige Sicherheit digitaler Infrastrukturen in unserer Gesellschaft sind neue Verschlüsselungsverfahren essenziell. Aktuelle Verschlüsselungen basieren auf der endlichen Rechenleistung heutiger Computer und sind daher durch technologische Weiterentwicklungen potenziell entschlüsselbar. Die Quantenkommunikation bietet hier einen einzigartigen alternativen Ansatz. Es werden dabei Codes für die Verschlüsselung von Daten mit Hilfe einzelner Lichtteilchen, sogenannter Photonen, übertragen. Die Sicherheit wird dabei durch die Gesetze der Physik garantiert. Für den praktischen Einsatz solcher Systeme müssen die notwendigen Einzelphotonen-Quellen jedoch noch weiter verbessert und von großen, komplexen Laboraufbauten zu einfach nutzbaren, miniaturisierten Modulen weiterentwickelt werden.
Förderung im Gesamtvolumen von 7,6 Millionen Euro
Um dies zu erreichen, fördert das BMBF seit März 2023 gleich zwei komplementäre Forschungskonsortien unter Führung von TU-Professoren mit einem Gesamtvolumen von ca. 7,6 Millionen Euro über drei Jahre Projektlaufzeit. Im Projekt „Mikrointegrierte Hochleistungsquellen für die Quantenkommunikation (MIHQU)“ unter Leitung von Prof. Dr. Janik Wolters von der Arbeitsgruppe „Physikalische Grundlagen der IT-Sicherheit“ und mit Beteiligung von Prof. Eckardt Uhlmann, Leiter des Fachgebiets „Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik“ an der TU Berlin, nutzen die Forschenden ein Phänomen, bei dem Photonen aus einem Laser in einem speziellen Kristall in ein Paar „verschränkter“ Photonen umgewandelt werden. Solche Photonen hängen unabhängig von ihrer Entfernung stets quantenphysikalisch zusammen und bilden damit eine wichtige Grundlage der Quantenkommunikation.
Abmessungen kleiner, Erzeugungsraten höher
Im zweiten Vorhaben mit dem Titel „Multicore-Faser Einzelphotonenemitter-Modul“ (MultiCoreSPS) unter Führung von Prof. Dr. Stephan Reitzenstein von der Arbeitsgruppe „Optoelektronik und Quantenbauelemente“ werden innovative Quantenchips mit halbleiterbasierten Einzelphotonen-Quellen für die Quantenschlüsselübertragung in Kombination mit hocheffizienten Mikrolasern für die eigentliche Informationsübertragung erforscht. Gemeinsam ist beiden Vorhaben das Ziel: Einzelphotonen-Quellen für den praktischen Einsatz zum Beispiel als Modul für die direkte Glasfaserankopplung in Serverschränken und in Quantennetzwerken zu miniaturisieren und ausreichend robust zu machen. Gleichzeitig sollen auch die Erzeugungsraten der Photonen und damit die mögliche Datenrate für die Übertragung von geheimen Schlüsseln deutlich gesteigert werden.
Kosten senken für die Überführung in kommerzielle Anwendungen
Die im Rahmen der Vorhaben zu entwickelnden Module sollen reproduzierbar sein und kostengünstig industriell hergestellt, von Nutzenden einfach angeschlossen und perspektivisch großflächig in der bestehenden Telekommunikationsinfrastruktur eingesetzt werden können. Damit würden die Gesamtkosten in der Quantenkommunikation gesenkt – ein notwendiger Schritt für die erfolgreiche Überführung in kommerzielle Anwendungen. Die TU-Forschenden leisten somit einen wichtigen Beitrag für die Quantenkommunikationsbranche.
Mehr Informationen unter: https://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/projekte/mihqu und https://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/projekte/multicoresps
