Wie können wir garantieren, dass über das Internet übertragene Daten nur vom beabsichtigten Empfänger gelesen werden können? Derzeit werden unsere Daten mithilfe mathematischer Verfahren verschlüsselt, die auf der Annahme beruhen, dass die Faktorisierung großer Zahlen schwierig ist. Angesichts der zunehmenden Leistungsfähigkeit von Quantencomputern dürften diese mathematischen Verschlüsselungsmethoden jedoch in Zukunft unsicher werden.
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Tobias Vogl, Professor für Quantenkommunikationssystemtechnik, arbeitet an einem Verschlüsselungsverfahren, das auf physikalischen Prinzipien basiert. es nicht, diese Information zu extrahieren oder zu kopieren. Wird die Information abgefangen, verändern die Lichtteilchen ihre Eigenschaften. Da wir diese Zustandsänderungen messen können, wird jeder Abfangversuch der übertragenen Daten sofort erkannt, unabhängig von zukünftigen technologischen Fortschritten“, erklärt Vogl.
Die größte Herausforderung der sogenannten Quantenkryptographie liegt in der Datenübertragung über große Entfernungen. In der klassischen Kommunikation werden Informationen in vielen Lichtteilchen kodiert und über Glasfasern übertragen. Die in einem einzelnen Teilchen enthaltene Information lässt sich jedoch nicht kopieren. Folglich kann das Lichtsignal nicht, wie bei herkömmlichen Glasfaserübertragungen, wiederholt verstärkt werden. Dies begrenzt die Übertragungsdistanz auf einige hundert Kilometer.
Um Informationen in andere Städte oder auf andere Kontinente zu senden, wird die Struktur der Atmosphäre genutzt. In Höhen über etwa 10 Kilometern ist die Atmosphäre so dünn, dass Licht weder gestreut noch absorbiert wird. Dies ermöglicht den Einsatz von Satelliten zur Quantenkommunikation über größere Entfernungen.
Satelliten für Quantenkommunikation:
Im Rahmen der QUICK³-Mission entwickelt Tobias Vogl mit seinem Team ein Komplettsystem, das alle Komponenten für den Bau eines Quantenkommunikationssatelliten umfasst. Zunächst testete das Team jede einzelne Komponente des Satelliten. Im nächsten Schritt soll das Gesamtsystem im Weltraum erprobt werden. Die Forscher untersuchen, ob die Technologie den Bedingungen im Weltraum standhält und wie die einzelnen Systemkomponenten interagieren. Der Start des Satelliten ist für 2025 geplant. Der Aufbau eines globalen Quantenkommunikationsnetzwerks wird jedoch Hunderte, wenn nicht gar Tausende von Satelliten erfordern.
Hybrides Netzwerk für Verschlüsselung
Das Konzept erfordert nicht zwangsläufig, dass alle Informationen mit dieser sehr komplexen und kostspieligen Methode übertragen werden. Es ist denkbar, ein hybrides Netzwerk zu implementieren, in dem Daten entweder physikalisch oder mathematisch verschlüsselt werden können. Antonia Wachter-Zeh, Professorin für Codierung und Kryptographie, arbeitet an der Entwicklung von Algorithmen, die so komplex sind, dass selbst Quantencomputer sie nicht lösen können. Zukünftig wird die Verschlüsselung der meisten Informationen mithilfe mathematischer Algorithmen ausreichend sein. Quantenkryptographie wird nur für Dokumente mit besonderem Schutzbedarf, wie beispielsweise im Bankverkehr, eine Option darstellen.
Veröffentlichung:
Najme Ahmadi, Sven Schwertfeger, Philipp Werner, Lukas Wiese, Joseph Lester, Elisa Da Ros, Josefine Krause, Sebastian Ritter, Mostafa Abasifard, Chanaprom Cholsuk, Ria G. Krämer, Simone Atzeni, Mustafa Gündoğan, Subash Sachidananda, Daniel Pardo, Stefan Nolte, Alexander Lohrmann, Alexander Ling, Julian Bartholomäus, Giacomo Corrielli, Markus Krutzik, Tobias Vogl. „QUICK3 – Design einer satellitengestützten Quantenlichtquelle für Quantenkommunikation und erweiterte physikalische Theorietests im Weltraum“. Adv. Quantentechnologie. (2024). https://doi.org/10.1002/qute.202300343
Tobias Vogl wurde im Juli 2023 zum Professor für Quantenkommunikationssystemtechnik an der Fakultät für Informatik, Informationstechnologie ernannt. Sein Forschungsschwerpunkt liegt auf optischen Quantentechnologien in kristallinen Festkörpern. Insbesondere untersucht er fluoreszierende Defekte im zweidimensionalen hexagonalen Material Bornitrid, die mit resonanten Nanostrukturen und photonischen Schaltkreisen kombiniert werden, um als Komponenten für die Quanteninformationsverarbeitung und in Quantennetzwerken eingesetzt zu werden.
– Das QUICK³-Projekt ist ein internationales Forschungsprojekt mit Beteiligung von Wissenschaftlern der Friedrich-Schiller-Universität Jena, der Humboldt-Universität zu Berlin, der Technischen Universität Berlin, des Ferdinand-Braun-Instituts für Höchstfrequenztechnik, des Instituts für Photonik und Nanotechnologien in Italien und der National University of Singapore.
