Quantenrepeater für eine sichere Kommunikation

Ein Kommunikationsnetz, das auf einer quantengesicherten IT-Infrastruktur aufbaut, schützt besser gegen Attacken und ermöglicht mehr Sicherheit für die Vernetzung von zukünftigen Quantencomputern. Grundlage hierfür sind so genannte Quantenrepeater, die Daten und Informationen speichern und über große Entfernungen weitertransportieren. Unter Koordination der Universität des Saarlandes erforschen im Verbundprojekt QR.N Partner aus Wirtschaft und Wissenschaft diese speziellen Repeater. Wissenschaftler*innen der Universität Stuttgart bringen ihre Expertisen aus der Quantenphysik, der Photonik, der Mikrooptik und dem Quantenrechnen in den Verbund ein. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert QR.N mit rund 20 Millionen Euro.

„Quantenkommunikation ist eine Schlüsseltechnologie für eine sichere Kommunikation der Zukunft, die sowohl IT-Netze und kritische Infrastrukturen vor Angriffen moderner Computer und Quantencomputer schützt, als auch eine sichere Vernetzung von Quantencomputern ermöglicht“, sagt Professor Peter Michler, Direktor des Instituts für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen (IHFG) der Universität Stuttgart  und stellvertretender Sprecher des Forschungsverbundes QR.N. Für die Übertragung der Quanteninformationen in Glasfaserkabeln werden einzelne und verschränkte Photonen verwendet, also Lichtteilchen, die korrelierte Eigenschaften besitzen auch, wenn sie weit voneinander entfernt sind. Sie folgen grundlegenden physikalischen Gesetzen, die nicht beeinflusst werden können. Unbekannte Quanteninformationseinheiten (Qubits) sind unter anderem nicht kopierbar und daher sind Qubits besonders geeignet, den Datenverkehr mittels neuer Verschlüsselungsverfahren abzusichern.

Weil Glasfasern Photonen absorbieren sind Teilchenverluste bislang unvermeidlich. Die Photonenverluste schränken die Reichweite ein und verringern die nutzbare Übertragungsrate. Daher ist die Quantenkommunikation in Quantennetzwerken derzeit auf wenige hundert Kilometer beschränkt. Abhilfe können so genannte Quantenrepeater schaffen. Sie sind in der Lage, Quanteninformationen an Netzwerkknoten zu speichern, komplexe Operationen zwischen den Quantenzuständen durchzuführen und Informationen an den nächsten Netzwerkknoten weiterzuleiten. Hierdurch können größere Entfernungen überbrückt werden. Im Vorgängerprojekt „Quantenrepeater.Link (QR.X)“ haben die Wissenschaftler*innen bereits grundlegende Komponenten für Quantenrepeater entwickelt. Im Folgeprojekt QR.N. wollen sie jetzt die Komponenten und notwendige Operationen optimieren und auf Teststrecken außerhalb des Labors demonstrieren. Außerdem wollen sie fortgeschrittene Konzepte von Quantenrepeater-Technologien, wie zum Beispiel die Quantenfehlerkorrektur, neue Protokolle oder Multiplexing untersuchen. Multiplexing bedeutet die gleichzeitige Übertragung von Daten über einen einzigen Kanal.

„Quantenrepeater sind eine ganz wesentliche Komponente für künftige Quantennetzwerke und eines der wichtigsten Themen, die uns in der Quantenwissenschaft beschäftigen“, sagt Michler. Am Verbundprojekt QR.N sind vier Forschungsgruppen der Universität Stuttgart beteiligt. Das Team von Professor Jörg Wrachtrup am 3. Physikalischen Institut wird einen Quantenrepeater-Link mit bis zu drei Netzwerkknoten aufbauen. Für eine erfolgreiche Demonstration müssen alle Knoten automatisiert und langzeitstabil betrieben werden können. In der Gruppe von Professor Michler am IHFG werden ultrahelle Einzelphotonenlichtquellen und Quellen für verschränkte Photonenpaare für den Betrieb im Telekomunikations-C-Band entwickelt und für den Einsatz an verschiedenen Teststrecken in einen transportablen kompakten Demonstrator implementiert.

Die Forschungsgruppe von Professor Harald Giessen am 4. Physikalischen Institut beschäftigt sich mit der Herstellung und Vermessung von 3D gedruckten Mikrooptiken zur effizienten Kopplung von Einzelphotonenemittern, also Lichtquellen für Einzelphotonen, Einzelphotonendetektoren und spezieller optischer Glasfasern. Die Gruppe von Professor Stefanie Barz am Institut für Funktionelle Materie und Quantentechnologien (FMQ) wird demonstrieren, wie auf der Grundlage von Teilchenclustern in photonischen Schaltkreisen verteiltes Quantenrechnen funktioniert.

Das Projekt „Quantenrepeater.Net (QR.N)“ läuft bis Dezember 2027, wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) mit insgesamt rund 20 Millionen Euro gefördert und von der Universität des Saarlandes koordiniert. Im QR.N-Verbund haben sich 42 Partner aus Forschungseinrichtungen aus Universitäten und Wirtschaftsunternehmen zusammengeschlossen, um die Technologie und den Einsatz von Quantenrepeatern in optischen Glasfasernetzwerken zu erforschen und zu erproben. Das Projekt basiert auf Ergebnissen des ebenfalls BMBF-geförderten Projektes „Quantenrepeater.Link (QR.X)“, das unter Federführung der Universität des Saarlandes von 2021 bis Ende 2024 bundesweit die Grundlagen für die Entwicklung eines Quantenrepeaters erforscht hat. Physiker*innen der Universität Stuttgart haben beide Verbünde maßgeblich mitgestaltet. Beteiligt sind seitens der Universität Stuttgart die Institute für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen (IHFG) und für Funktionelle Materie und Quantentechnologien (FMQ) sowie das 3. und 4. Physikalische Institut.

Projektsteckbrief auf den Webseiten des BMBF

Presseinformation der Universität des Saarlandes