Quantennetzwerk für eine sichere Kommunikation

Abhörsichere Kommunikation ist für eine vernetzte Gesellschaft von zentraler Bedeutung. Entsprechende Grundlagen liefert die Quantenphysik: Sie ermöglicht praxistaugliche Technologien wie die Quantenschlüsselverteilung. Mit der neuen Glasfaser-Teststrecke am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die am Mittwoch, 22. Januar 2025, eröffnet wurde, wollen die Forschenden solche Schlüssel übertragen, testen und weiterentwickeln. Darüber hinaus wollen sie ein Quantennetzwerk aufbauen, das unter anderem die Verknüpfung von Quantencomputern ermöglicht.

Mit der neuen Glasfaser-Teststrecke nutzen die Forschenden modernste Technologien wie hochkohärente Laser, um die Quantenschlüssel zu erzeugen und zu übertragen. Diese sind entscheidend für eine abhörsichere Kommunikation, da sie auf physikalischen Gesetzen basieren und nicht wie bisherige Schlüssel auf mathematischen Annahmen, die mit künftigen Quantencomputern gebrochen werden können.

Mit einer Länge von 20 Kilometern verbindet sie als quantenoptische Übertragungsstrecke speziell ausgestattete Labore mit aufwendigen Lasern und Kryostaten am Campus Süd und Campus Nord des KIT. Der lichtleitende Kern der Glasfaserleitung hat einen Durchmesser von nur etwa 9 Mikrometern. Ein menschliches Haar ist im Vergleich dazu etwa 60 Mikrometer dick.

Wichtige Plattform für die Quantenforschung

„Das Thema Quantenkommunikation ist von großer strategischer Bedeutung für das KIT. Umso mehr freut es mich, dass das KIT mit der errichteten Teststrecke den Forschenden eine wichtige Infrastruktur zur Verfügung stellt, um die Möglichkeiten der Quantenphysik zu erforschen“, sagt Professor Oliver Kraft, Vizepräsident Forschung des KIT. „Wir leisten hiermit einen entscheidenden Beitrag, um die Forschung und Entwicklung im Bereich der Quantennetzwerktechnologien voranzutreiben und hin zu Anwendungen zu bringen.“

„Wir haben nun mit der Glasfaser-Teststrecke eine Plattform, um die Quantenschlüsselverteilung weiterzuentwickeln, grundlegende Charakterisierungen durchzuführen und in die klassische Kommunikation zu integrieren“, sagt Projektleiter Professor David Hunger vom Physikalischen Institut des KIT. Darauf aufbauend entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler neuartige Übertragungsprotokolle für die Schlüssel. „Mit neuen Methoden wollen wir so die Quantenkryptographie effizienter und praktikabler machen. Hier arbeiten wir zum Beispiel mit KEEQuant zusammen, einem Startup-Unternehmen auf dem Gebiet der quantensicheren Kommunikation“, führt Hunger aus. „Mithilfe spezieller Materialien möchten wir hochreines Quantenlicht – also einzelne Lichtteilchen – erzeugen und damit Übertragungsraten erhöhen.“

Aufbau eines Quantennetzwerks

Zusätzlich bauen die Forschenden in mehreren Schritten ein Quantennetzwerk auf, um das künftige Quanteninternet zu erforschen. Dabei fokussieren sie sich auf zwei wesentliche Schritte: Zum einen die Speicherung von Quanteninformation in speziellen Quantenspeichern und zum anderen die quantenmechanische Verschränkung der Speicher. Dies ermöglicht es, Quanten-Repeater zu realisieren, die Quanteninformation über große Distanzen übertragen können. Da die Verschränkung ein Grundelement von Quantencomputern ist, können diese durch die optische Übertragung der Verschränkung in einem Quanteninternet miteinander verbunden werden.

Teststrecke als Teil der Exzellenzcluster-Initiative Chem4Quant

Das Projekt ist eine zentrale Infrastruktur der Exzellenzcluster-Initiative „Chem4Quant“ in der Forschende des KIT, der Universität Ulm und der Universität Stuttgart gezielt Materialstrukturen für künftige Quantentechnologien aufbauen und sich auf ein neues Teilgebiet der Quantentechnologien, die molekularen Quantensysteme, fokussieren. Zudem ist das Projekt eine wichtige Komponente für die Forschung zu Quanten-Repeatern innerhalb des Verbundprojekts Quantenrepeater.Net (QR.N) vom Bundesministerium für Bildung und Forschung sowie ein Beitrag für den Innovationscampus QuantumBW.

Weitere Informationen

Als „Die Forschungsuniversität in der Helmholtz-Gemeinschaft“ schafft und vermittelt das KIT Wissen für Gesellschaft und Umwelt. Ziel ist es, zu den globalen Herausforderungen maßgebliche Beiträge in den Feldern Energie, Mobilität und Information zu leisten. Dazu arbeiten rund 10 000 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter auf einer breiten disziplinären Basis in Natur-, Ingenieur-, Wirtschafts- sowie Geistes- und Sozialwissenschaften zusammen. Seine 22 800 Studierenden bereitet das KIT durch ein forschungsorientiertes universitäres Studium auf verantwortungsvolle Aufgaben in Gesellschaft, Wirtschaft und Wissenschaft vor. Die Innovationstätigkeit am KIT schlägt die Brücke zwischen Erkenntnis und Anwendung zum gesellschaftlichen Nutzen, wirtschaftlichen Wohlstand und Erhalt unserer natürlichen Lebensgrundlagen. Das KIT ist eine der deutschen Exzellenzuniversitäten.