QuNET: Deutsche Quantenverschlüsselung über Satellit

Das Kick-Off der ersten Projektphase der Forschungsinitiative QuNET (Quantum Network) fand statt. Ziel der Initiative ist es, in Deutschland die Grundlagen für ein nationales Quantennetzwerk zu schaffen.

Wie können Daten sicher übertragen werden? Eine Frage, die sich in der digitalen Welt von heute immer dringender für Behörden und Unternehmen, insbesondere im Kontext von Industrie 4.0, und auch für Privatpersonen stellt. Benötigt werden Lösungen, die auch den Sicherheitsanforderungen kommender Jahre und Jahrzehnte gewachsen sind. In einer ersten Projektphase „QuNET-alpha – Demonstrationsexperiment zur Kommunikation unter Einsatz von Quantentechnologien“ ist bis werden jetzt die Grundlagen für sichere Quantenkommunikationsprojekte gelegt.

Verschlüsselung: Den Schlüssel sicher um die Welt tragen

Bei der Verschlüsselung geht es darum, beispielsweise bei einem Text aus Wörtern jedes Wort durch ein bestimmtes, anderes Wort zu ersetzen – quasi ein Codewort einzusetzen. Aber nicht nur Wörter, sogar einzelne Buchstaben kann man durch andere Zeichen ersetzen. Entschlüsseln kann man einen Text dann nur, wenn man weiß, welchen gezeigten Buchstaben man wieder mit welchem gemeinten Buchstaben austauschen muss. Dieses Wissen ist der sogenannte Schlüssel.

Um es einem heimlichen Mitleser möglichst schwierig zu machen auf den echten Text zu kommen, nutzt man einen möglichst großen Pool an Fantasie-Buchstaben, aus denen man enorm viele Kombinationen durchprobieren müsste, um wieder einen lesbaren Text zu erhalten. Um also sicher zu kommunizieren, müssen beide, Sender und Empfänger, zunächst einen Schlüssel sicher austauschen. Die gilt für die herkömmliche, wie für die Quantenkommunikation.

In Sachen Zukunftstauglichkeit sticht die Quantenverschlüsselung besonders hervor. Sie ermöglicht es, die Sicherheit der Datenübertragung auf auch noch die Gültigkeit grundlegender Gesetze der Quantenphysik zurückzuführen. Das Deutsche Zentrum für Luft– und Raumfahrt (DLR) sucht nach praxistauglichen Lösungen der satellitenbasierten Quantenkommunikation, um Schlüssel über große Distanzen hinweg sicher zu vereinbaren. Bisher ist dies nur über wenige 100 Kilometer möglich. Unter Einsatz von Satelliten können Schlüssel hingegen prinzipiell zwischen beliebigen Orten auf der Erde vereinbart werden. Die Forschungsinitiative QuNET wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert und vom Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik geleitet.

Protokolle der Quantenkommunikation erfordern die Handhabung einzelner Photonen, also Lichtteilchen. Dafür muss die Übertragung sehr effizient sein, das heißt, möglichst viele der gesendeten Photonen müssen zur Schlüsselerzeugung beitragen. Außerdem müssen Fremdeinstrahlungen vermieden werden. Die Atmosphäre ist dabei sowohl im Bezug auf Dichteschwankungen als auch durch Streuprozesse störend.

Das DLR-Team trägt in der ersten Projektphase ein Testsystem am Boden bei, das verschiedene Quanten-Quellen und -Empfänger verbinden wird. Dazu können die Wissenschaftler auf eigene frühere Entwicklungen zurückgreifen: Insbesondere wird die Systemtechnik des OSIRISv3-Laserkommunikationsterminals als Basis der Sendeeinheit für die Quantenkommunikation genutzt, während auf der Empfängerseite Entwicklungen aus dem Multi-Terrabits-pro-Sekunde-Übertragungssystem THRUST genutzt werden.

Novum der Kommunikation aus Deutschland

Das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation befasst sich mit der Konzeption und Analyse von Systemen in Anwendungen der Raumfahrt, Luftfahrt, Energie, Verkehr und Sicherheit. Das Spektrum der Arbeiten reicht von Grundlagenfragen bis hin zu Technologiedemonstrationen. Eine besondere Demonstration gelang Mitarbeitenden des Instituts gemeinsam mit der Ludwig-Maximilians-Universität München im Jahr 2011. Erstmals wurde erfolgreich zwischen einem Flugzeug und einer Bodenstation ein Quantenschlüssel erzeugt – ein wichtiger Schritt hin zu einer weltweiten abhörsicheren Datenkommunikation.

Die erste Projektphase „QuNET-alpha – Demonstrationsexperiment zur Kommunikation unter Einsatz von Quantentechnologien“ ist bis Ende 2020 angesetzt. Zum QuNET-Forschungsverbund gehört das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik als Koordinator sowie das Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik (Heinrich-Hertz-Institut) und das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts und das Deutsche Zentrum für Luft– und Raumfahrt (DLR).