Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF 26. März 2024.

26. März 2024 – Unter Leitung des Fraunhofer IOF entwickelte das Projekt CubEniK eine ultrakompakte Nutzlast für einen Satelliten von der Größe eines Schuhkartons, einen sogenannten »CubeSat«. Ziel des Mini-Satelliten ist es, einen sicheren Quantenschlüssel über eine Entfernung von 300 Kilometern zwischen zwei Bodenstationen in Jena und München zu übertragen.

Wenn Alice und Bob miteinander sprechen, dann hört niemand zu. Kein Lauschen, kein Abhören. Wie das geht? Alice und Bob sind Sende- und Empfangseinheiten. Sie nutzen die sogenannte Quantenschlüsselverteilung (QKD) für absolute Vertraulichkeit. Dabei werden verschränkte Photonen zwischen ihnen verschickt, um einen sicheren (Quanten-)Schlüssel für die Datenverschlüsselung zu erzeugen. Die Übertragung solcher verschränkten Photonenpaare am Boden ist auf verschiedenen Wegen möglich, zum Beispiel über Glasfasernetze. Allerdings ist die maximale Reichweite dieser Netze üblicherweise auf 200 Kilometer beschränkt, denn Quantenschlüssel können innerhalb einer Faser nicht ohne weiteres verstärkt werden. Entsprechend groß ist der Bedarf nach Lösungsansätzen, um auch größere Entfernungen – tendenziell sogar globale Netze – abzudecken. Die Idee: Der Einsatz von Satelliten im All. Doch konventionelle Satelliten sind teuer, groß und damit ressourcenintensiv.

Entwicklung einer ultrakompakten Nutzlast für einen »CubeSat«
Diesem Problem hat sich das Team des Projektes CubEniK angenommen. Unter der Leitung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena hat das Forschungskonsortium eine ultrakompakte Nutzlast für einen Mikro-Satelliten, auch CubeSat genannt, entwickelt. »Unser CubEniK-System kann in einem 16U CubeSat untergebracht werden«, berichtet Erik Beckert, Leiter der Abteilung opto-mechatronische Komponenten und Systeme am Jenaer Institut. Das heißt konkret: »Mit einer Abmessung von 20 x 20 x 40 Zentimetern des Satelliten, ist das am Fraunhofer IOF designte System das bisher kleinste seiner Art.«

Genau diese kompakte Bauweise ist es, die einen entscheidenden Vorteil für die Quantenkommunikation im Weltraum bietet, denn: Bei der Beförderung von Technologie und Mensch ins All zählt jedes Gramm Gewicht – desto kleiner und leichter, umso besser. Das hat den Einsatz von CubeSats beliebt gemacht. CubeSats sind Satelliten aus der Kategorie der Nano- oder Mikrosatelliten. Aufgrund ihrer minimalen Stellfläche werden sie häufig als Sekundärlast auf größeren Startmissionen mitgeführt. Gegenüber dem Start eines zusätzlichen Satelliten, lassen sich Technologien auf diese Weise effizienter und kostengünstiger in den Weltraum befördern. Vor diesem Hintergrund haben die CubEniK-Forschenden es sich zum Ziel gesetzt, die fertige Gesamteinheit zur QKD in kleinstmöglicher Form zu verpacken, sodass sie als Teil einen solchen CubeSats möglichst sparsam in den Weltraum gelangen kann.

Ziel des CubEniK-Systems ist es, während eines einzelnen Satellitenüberflugs in einer niedrigen Erdumlaufbahn einen sicheren Quantenschlüssel mit einer Länge von 256 Bit an zwei, 300 Kilometer voneinander entfernte Bodenstationen in Jena und Oberpfaffenhofen bei München zu verschicken. Die so gesendete Schlüssellänge könnte zukünftig als Hauptschlüssel in Hochsicherheitsmodulen verwendet werden und somit die Datensouveränität in sensiblen Bereichen wie der Finanzindustrie oder in Regierungsbehörden sichern.

Komponenten und Funktionsweise des CubEniK-Systems
Neben dem Fraunhofer IOF gehören dem CubEniK-Forschungskonsortium auch zwei Fraunhofer-Ausgründungen – die Quantum Optics Jena GmbH und SPACEOPTIX GmbH – sowie das Zentrum für Telematik aus Würzburg und die DIGOS GmbH aus Potsdam an. Die Forschenden des Fraunhofer IOF haben das optomechanische Design der Nutzlast entwickelt. Neben zwei Teleskopen, die auf einer Standardtechnologie der SPACEOPTIX basieren, besteht das CubEniK-System außerdem aus einer Feinausrichtung (engl.: fine pointing assembly, FPA), einem Faserkoppler und einer Strahlnachführung (engl.: coarse pointing assembly, CPA), die in einem zusätzlich entworfenen Raum in der Teleskopumhüllung untergebracht sind. »Die FPA und CPA dienen dazu, den ausgesandten Strahl auf die Bodenstationen auszurichten und diese Verbindung zu stabilisieren«, erklärt Fraunhofer-Forscher Daniel Heinig, der das Projekt am Institut in der Abteilung Zukunftstechnologien begleitet. »Das Ausrichten dieses Strahls geschieht mithilfe eines piezogesteuerten Tip-Tilt-Spiegels für die präzise Steuerung und durch zwei drehbare Keilprismen, die in der Grobjustierungseinheit verbaut sind und den Strahl um bis zu 11 Grad neigen.« Somit kann sich der Satellit, in dem die Einheit verbaut wird, besonders genau auf die Bodenstationen ausrichten.

Zusätzlich zu den Teleskopen und den Justierungseinheiten nutzt CubEniK eine handtellergroße und raumflugtaugliche Photonenquelle, die ebenfalls am Fraunhofer-Institut in Jena entwickelt wird. Diese muss pro Sekunde viele Millionen verschränkte Photonenpaare erzeugen, um während des Satellitenüberflugs eine sichere Kommunikation zu ermöglichen und den hochsicheren Schlüssel an die Bodenstationen durch die abschwächende Atmosphäre zu übertragen.

Über das Fraunhofer IOF
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena betreibt anwendungsorientierte Forschung auf dem Gebiet der Photonik und entwickelt innovative optische Systeme zur Kontrolle von Licht – von der Erzeugung und Manipulation bis hin zu dessen Anwendung. Das Leistungsangebot des Instituts umfasst die gesamte photonische Prozesskette vom opto-mechanischen und opto-elektronischen Systemdesign bis zur Herstellung von kundenspezifischen Lösungen und Prototypen. Am Fraunhofer IOF erarbeiten knapp 500 Mitarbeitende das jährliche Forschungsvolumen von 40 Millionen Euro.

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• Quantenkommunikation im Weltraum?

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Quelle: Technische Universität München 13. März 2024.

13. März 2024 – Wie wird sichergestellt, dass Daten, die über das Internet übermittelt werden auch nur den beabsichtigen Empfänger erreichen? Aktuell werden unsere Daten mathematisch verschlüsselt. Das heißt, hinter der Verschlüsselung steckt die Idee, dass es schwierig ist, eine große Zahl in ihre Faktoren zu zerlegen. Durch die steigende Rechenleistung von Quantencomputern ist davon auszugehen, dass diese mathematischen Codes zukünftig nicht mehr sicher sein werden.

Verschlüsselung mithilfe der physikalischen Gesetze
Tobias Vogl, Professor für Quantum Communication Systems Engineering, arbeitet an einem Verschlüsselungsverfahren, das mithilfe der physikalischen Gesetze funktioniert. „Die Sicherheit basiert darauf, dass die Informationen in einzelne Lichtteilchen kopiert und anschließend übertragen werden. Die physikalischen Gesetze erlauben es dabei nicht, diese Informationen unbemerkt auszulesen oder zu kopieren. Sobald die Informationen abgehört werden, verändern die Lichtteilchen ihren Zustand. Da wir diese Zustandsänderung messen können, wird jeder Abhörversuch, unabhängig von zukünftigen technischen Entwicklungen, sofort erkannt“, sagt Tobias Vogl.

Die große Herausforderung bei der sogenannten Quantenkryptographie besteht darin, Daten über weite Distanzen zu übertragen. In der klassischen Kommunikation wird Information in viele Lichtteilchen kodiert und über Glasfasern verschickt. Die Information in einem einzelnen Lichtteilchen kann jedoch nicht kopiert werden, weshalb man das Lichtsignal nicht – wie bei der aktuellen Kommunikation über Glasfaserkabel – immer wieder verstärken kann. Dadurch können Informationen nur über einige 100 Kilometer übermittelt werden.

Um Informationen auch in andere Städte oder Kontinente zu übertragen, soll zukünftig der Aufbau der Atmosphäre genutzt werden. Ab einer Höhe von etwa zehn Kilometern ist die Atmosphäre so dünn, dass Licht weder gestreut noch absorbiert wird. Mithilfe von Satelliten ist es so möglich, Quantenkommunikation auch über weite Strecken zu betreiben.

Satelliten ermöglichen die Quantenkommunikation
Im Rahmen der sogenannten QUICK³-Mission entwickelt Tobias Vogl gemeinsam mit seinem Team ein komplettes System mit allen Komponenten, die benötigt werden, um einen Satelliten für die Quantenkommunikation zu bauen. In einem ersten Schritt hat das Team die einzelnen Komponenten des Satelliten individuell getestet. Im nächsten Schritt wollen sie das gesamte System im Weltraum erproben. Hierbei untersuchen die Forschenden, ob die Technik überhaupt den Bedingungen des Weltraums standhält und wie die einzelnen Komponenten des Systems miteinander interagieren. Die Mission ist für 2025 geplant. Um für die Quantenkommunikation ein lückenloses Netz aufzubauen, werden allerdings hunderte oder sogar tausende Satelliten benötigt.

Hybrides Netzwerk zur Verschlüsselung
Nicht alle Informationen sollen zukünftig über diesen Weg übertragen werden, da das Verfahren sehr aufwendig und teuer ist. Vorstellbar ist ein hybrides Netzwerk, in dem Daten entweder mathematisch oder physikalisch verschlüsselt werden. Antonia Wachter-Zeh, Professorin für Codierung und Kryptographie, arbeitet daran, mathematisch so komplexe Algorithmen zu entwickeln, dass diese auch von einem Quantencomputer nicht gelöst werden können. Bei den meisten Informationen wird es auch zukünftig ausreichen, die Informationen mithilfe mathematischer Algorithmen zu verschlüsseln. Nur für besonders schützenswerte Dokumenten, die beispielsweise zwischen zwei Banken ausgetauscht werden, kommt zukünftig die Quantenkryptographie infrage.

Mehr Informationen:

• Seit Juli 2023 ist Tobias Vogl Professor für Quantum Communication System Engineering an der School of Computation, Information and Technology. In seiner Forschung fokussiert er sich auf optische Quantentechnologien in Festkörper-Kristallen. Insbesondere werden fluoreszierende Defekte im 2D-Material hexagonales Bornitrid untersucht, welche mit resonanten Nanostrukturen und photonischen Schaltkreisen kombiniert werden, um sie als Bauelemente für die Quanteninformationsverarbeitung und in Quantennetzwerken zu nutzen.
• Bei der QUICK³-Mission handelt es sich um ein internationales Forschungsprojekt, an dem Forschende der Friedrich-Schiller-Universität Jena, der Humboldt-Universität zu Berlin, der Technischen Universität Berlin, dem Ferdinand-Braun-Institut für Höchstfrequenztechnik und des Institute for Photonics and Nanotechnologies in Italien, sowie der National University of Singapore beteiligt sind.

Originalpublikation:
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 of a Satellite-Based Quantum Light Source for Quantum Communication and Extended Physical Theory Tests in Space“. Adv. Quantum Technol. (2024).
doi.org/10.1002/qute.202300343
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/qute.202300343

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• Quantenkommunikation im Weltraum?

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Quelle: TESAT 11. Mai 2023.

Luxemburg, 11. Mai 2023 – Der Konsortialführer des EAGLE-1-Konsortiums, SES, gibt bekannt, dass TESAT als neuer Hauptpartner für die Entwicklung und Integration der QKD-Nutzlast (Quantum Key Distribution) für den Satelliten EAGLE-1 verantwortlich ist. Die Partnerschaft zwischen SES und TESAT zielt darauf ab, den nächsten wichtigen Meilenstein bei der Entwicklung und Umsetzung von Europas bahnbrechender Initiative für sichere Quantenkommunikation EAGLE-1 zu erreichen. Bei EAGLE-1 handelt es sich um ein von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) und der Europäischen Kommission unterstütztes Quantenschlüsselsystem, das sowohl Weltraum- als auch Bodensegmente umfasst und die sichere Übertragung von Verschlüsselungscodes über geografisch verstreute Gebiete hinweg ermöglichen und die nationalen Quantenkommunikationsinfrastrukturen der EU für wirklich souveräne Netze miteinander verbinden wird.

Das Konsortiumsmitglied und Europas führendes Laserkommunikationsunternehmen TESAT wird die QKD-Nutzlast entwickeln, die aus dem Scalable Optical Terminal SCOT80 besteht, dass eine sichere optische Verbindung vom Weltraum zum Boden herstellt, sowie aus dem QKD-Modul des Satelliten.

Die in die Nutzlast des EAGLE-1-Systems integrierte Technologie umfasst eine eingebaute Redundanz und wurde speziell für die Satellitenkommunikation und Datenübertragung in Bereichen wie Behörden, Telekommunikationsbetreiber, Cloud-Anbieter und Banken entwickelt, um die Sicherheit der kryptografischen Anwendungen zu gewährleisten.

„EAGLE-1 ist ein Projekt, das ganz Europa zugutekommen wird, und es ist für SES ein Privileg, mit den führenden Technologieunternehmen auf dem Markt zusammenzuarbeiten, um es mit zu entwickeln und gemeinsam diese innovative Sicherheitstechnologie zu gestalten“, sagte Ruy Pinto, Chief Technology Officer von SES. „Die Zusammenführung der sicheren optischen Verbindungen und des eigentlichen QKD-Moduls bringt uns in der Implementierung, Erprobung und weiteren Skalierung der Technologie weiter, die letztlich Millionen von Nutzern dienen kann. Dies hebt die sichere Kommunikation auf eine völlig neue Ebene und unterstützt die Entwicklung zuverlässiger europaweiter Quantenkommunikationsinfrastrukturen.“

„Wir freuen uns, von SES als Nutzlast Prime ausgewählt worden zu sein und unser Fachwissen bei der Integration von Sicherheitstechnologien sowie unsere Erfolgsbilanz von fast 80.000 ausgeführten optischen Satellitenverbindungen in dieses äußerst wichtige und zeitgemäße europäische Projekt einzubringen“, sagte Thomas Reinartz, CEO von TESAT. „Das EAGLE-1-System ermöglicht es, gemeinsam mit führenden Industriepartnern, KMU und Instituten Synergien zu erzielen und die Zeit bis zur Bereitstellung und Markteinführung der Quantensicherheitstechnologien und ihrer künftigen Hauptnutzer, wie Regierungen, Institutionen oder der Bankensektor, zu verkürzen. Gemeinsam mit unseren Partnern freuen wir uns darauf, die europäische Zusammenarbeit auf allen Ebenen, einschließlich KMU und Institutionen, zu stärken und einen Beitrag zur europäischen Souveränität im Weltraum zu leisten.“

Über EAGLE-1
Das EAGLE-1 Projekt, das den Satelliten und die Bodeninfrastruktur umfasst, wird von SES und seinem Konsortium aus 20 europäischen Partnern entwickelt und durch den ESA-Beitrag Deutschlands, Luxemburgs, Österreichs, Italiens, der Niederlande, der Schweiz, Belgiens und der Tschechischen Republik im Rahmen von ARTES sowie durch die Europäische Kommission über Horizon Europe ko-finanziert.

Nach dem Start im Jahr 2024 wird der EAGLE-1-Satellit drei Jahre im Orbit verbringen. Während der Betriebsphase wird der Satellit den Regierungen und Institutionen der Europäischen Union sowie kritischen Wirtschaftssektoren einen frühzeitigen Zugang zu QKD über große Entfernungen ermöglichen, was den Weg zu einer EU-Konstellation ebnen würde, die ultrasichere Datenübertragungen ermöglicht.

Weitere Informationen über EAGLE-1 und das von SES geleitete Konsortium europäischer Partner finden Sie hier.

Über SES
SES hat die Vision, durch die Distribution von Fernsehinhalten höchster Qualität und Bereitstellung nahtloser Konnektivität unvergleichliche Erlebnisse rund um den Erdball zu ermöglichen. Als führender globaler Anbieter von Konnektivitätslösungen für Inhalte betreibt SES die weltweit einzige Satellitenkonstellation in mehreren Umlaufbahnen mit einer Kombination aus weltweiter Abdeckung und hoher Leistung, darunter das kommerziell erprobte O3b-System in der mittleren Erdumlaufbahn mit geringer Latenz. Mithilfe eines ausgedehnten und intelligenten cloudfähigen Netzwerks kann SES an jedem Ort zu Lande, zu Wasser und in der Luft hochwertige Konnektivitätslösungen bereitstellen und ist Partner weltweit führender Telekommunikationsunternehmen, Mobilfunknetzbetreiber, Regierungen, Anbieter von Konnektivitäts- und Cloud-Diensten, Rundfunkanstalten, Betreiber von Videoplattformen und Eigentümer von Inhalten. Das Videonetzwerk von SES überträgt ~8.000 Kanäle und erreicht mit seiner beispiellosen Reichweite rund 369 Millionen Haushalte. Zudem stellt es Mediendienste für lineare und nichtlineare Inhalte bereit. Das Unternehmen ist an den Börsen von Paris und Luxemburg notiert (Ticker: SESG). Weitere Informationen finden Sie unter: www.ses.com.

Über TESAT
Bei TESAT in Backnang entwickeln, fertigen und vertreiben über 1.100 Mitarbeiter Systeme und Geräte für die Telekommunikation via Satellit. Das Produktspektrum reicht dabei von kleinsten raumfahrtspezifischen Bauteilen bis hin zu Modulen, gan-zen Baugruppen oder Nutzlasten. Weltweit technologisch führend ist TESAT bei den optischen Terminals zur Datenübertragung via Laser (LCTs). Bis heute wurden weit über 700 Raumfahrtprojekte durchgeführt. Mehr Informationen finden Sie auf www.tesat.de.

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• SES
• Tesat-Spacecom GmbH & Co.KG (Tesat) aus Backnang

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Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik 9. März 2023.

9. März 2023 – Die neue Hardware soll eines Tages Grundlage eines europäischen Satellitennetzes werden. Am Fraunhofer IOF wird zu diesem Zweck speziell eine miniaturisierte Quelle zur Erzeugung verschränkter Lichtteilchen im Telekommunikations-Wellenlängenbereich aufgebaut werden.

Mit verschränkten Lichtteilchen in Europa praktisch abhörsicher kommunizieren – für dieses Ziel setzt sich ein internationales Team aus EU-Forschenden ein. Gemeinsam wollen sie im Rahmen des neuen Projektes QUDICE Komponenten und Systeme für eine weltraumgestützte Quantenschlüsselverteilung entwickeln. Auf diese Weise will QUDICE einen entscheidenden Beitrag leisten, um eines Tages ein europäisches Netzwerk aus Satelliten zur quantengestützten Kommunikation realisieren zu können. Ein solches Netz soll gezielt die Privatsphäre europäischer Institutionen, Unternehmen sowie Bürgerinnen und Bürger schützen und gleichzeitig die Unabhängigkeit Europas von kritischen (Quanten-)Technologien aus dem Ausland stärken.

Kompakte und hocheffiziente Photonenpaarquelle für den Einsatz im All
Am Fraunhofer IOF in Jena wird im Rahmen von QUDICE dabei eine miniaturisierte, weltraumtaugliche Polarisations-verschränkte Photonenpaarquelle (engl.: »Entangled Photon Source«, kurz: EPS) im Telekommunikations-Wellenlängenbereich aufgebaut werden. Diese soll später in einen Satelliten integriert werden. Für den Einsatz im Weltraum muss die Photonenpaarquelle daher besondere Anforderungen erfüllen: Zum Beispiel muss sie besonders klein und kompakt gebaut sein. Angestrebt wird eine Größe ähnlich einem Milchkarton.

Die Forschenden des Fraunhofer IOF müssen daher sämtliche Einzelkomponenten der Quelle miniaturisieren und auf mehreren Chips integrieren. Weiterhin muss sie starken Vibrationen sowie großen Temperaturschwankungen standhalten können, wie sie beim Start des Satelliten auf seinem Weg ins Weltall auftreten. Die Photonenpaarquelle wird daher auf den jüngsten Fortschritten in der nichtlinearen Optik und Technik basieren. Das Ziel der neuen Quelle ist es, 10⁹ Paare verschränkter Lichtteilchen pro Sekunde und eine Bitrate zu erreichen, die den derzeitigen Stand der Technik um mehrere Größenordnungen übertrifft.

Bei der Herstellung der Photonenpaarquelle in weltraumtauglicher Qualität wird das Fraunhofer IOF eng mit dem Institute of Photonic Sciences (ICFO) aus Spanien – einem von zwölf Partnern im Projekt QUDICE – zusammenarbeiten. Gemeinsam werden die Institute ein neuartiges Design für die verschränkte Photonenquelle entwickeln, welches die Integration der Komponenten und damit einen besonders kompakten Aufbau ermöglicht. Zu diesem Zweck wird das ICFO spezifische Subsysteme für jede gewählte QKD-Implementierung entwerfen, während das Fraunhofer IOF diese umsetzt. Anschließend wird das Fraunhofer-Institut in Jena alle opto-elektronischen Komponenten charakterisieren, während das ICFO die QKD-Implementierungen durchführt.

Technologische Souveränität Europas in den Quantentechnologien stärken
Bereits 2019 wurde mit einer Vereinbarung zwischen der EU-Kommission und der Europäischen Weltraumorganisation ESA der erste Schritt zur Entwicklung einer hochsicheren paneuropäischen Infrastruktur für mehr Datensicherheit genommen. Die Quantenschlüsselverteilung stellt hierbei eine entscheidende Basistechnologie dar. QUDICE soll die entsprechende Forschungs- und Entwicklungsarbeit vorantreiben. Das Projekt wird daher von der Europäischen Union im Rahmen des Programmes »Horizont Europa« mit 4,3 Millionen Euro gefördert. 450.000 Euro fließen davon in die Arbeit am Fraunhofer IOF in Jena.

Die Realisierung des Projektziels erfordert Fachwissen aus einer Vielzahl von Bereichen – von der Quantenphysik über den Maschinenbau und die optische Technik bis hin zur Funkkommunikation, Satellitentechnik und Raumfahrttechnik. Durch die Zusammenarbeit von weltweit führenden Forschungseinrichtungen sowie Technologieentwicklern und -herstellern, aber auch Systemintegratoren wird ein interdisziplinäres Konsortium gebildet, in dem sich führende Expertinnen und Experten aus ihren jeweiligen Fachgebieten versammeln.

Zu den Partnern des QUDICE-Projektes gehören neben dem Fraunhofer IOF: University of Padova, ThinkQuantum SRL, Stellar Project SRL, Argotec, Thales Alenia Space (alle Italien), The Institute of Photonic Sciences ICFO, Quside SL, Sateliot IOT Services SL (alle Spanien), Centre National de la Recherche Scientifique, Sorbonne Université (alle Frankreich), L-Università ta‘ Malta (Malta).

Forschende des Fraunhofer IOF haben bereits wiederholt den Austausch von Quantenschlüsseln auf verschiedenen Wegen und Distanzen demonstriert, z. B. mittels Freistrahl innerhalb einer Stadt oder über im Boden verlegte Glasfasern zwischen verschiedenen Metropolregionen. Der Quantenschlüsselaustausch mittels Satelliten ermöglicht jedoch auch die Anbindung von Gebieten, bei denen eine Faseranbindung nicht oder nur begrenzt möglich ist, z. B. Offshore. Weiterhin bietet der weltraumgestützte Quantenschlüsselaustausch ein echtes Back-up im Fall einer Naturkatastrophe, bei der faserbasierte Infrastrukturen zerstört würden, oder eines umfassenden Netzausfalls.

FAQ: Fragen und Antworten rundum Quanten(-kommunikation)
Was sind Quanten überhaupt?
Die Welt ist eine Quantenwelt. Soll heißen: Alles besteht aus Quanten, sofern wir uns nur hinreichend kleine Systeme anschauen. Denn Quanten sind die kleinsten und unteilbare Einheiten, die physikalische Wechselwirkungen hervorrufen. Auch Photonen, also Lichtteilchen, sind demnach winzige Quantenobjekte.

Diese Quantenobjekte besitzen faszinierende Eigenschaften, die sich Forschende bei der Entwicklung von modernsten Quantentechnologien zu Nutze machen. Eine besondere Eigenschaft ist dabei die Verschränkung von Quantenobjekten. Verschränkung bedeutet hier, dass Paare miteinander verschränkter Teilchen (z. B. Photonen) erzeugt werden. Ein jedes Teilchen weiß dabei stets um den exakten Zustand seines »Zwillings« – selbst dann, wenn dieser weit entfernt ist.

Wie können wir mithilfe von Quanten unsere Daten bzw. Kommunikation schützen? Und was sind in diesem Zusammenhang Quantenschlüssel bzw. QKD?
Unsere moderne Welt ist hochvernetzt und deswegen in besonderem Maße anfällig für Cyberangriffe. Attacken z. B. auf kritische Infrastrukturen wie etwa Atomkraftwerke können dabei nicht nur sensible Daten, sondern potenziell Leben gefährden. Derzeit werden unsere Kommunikationssysteme mit kryptografischen Algorithmen verschlüsselt, die auf der Lösung bestimmter numerischer Probleme basieren. Das zu erwartende Aufkommen des Quantencomputers – d. h. Hochleistungsrechner der nächsten Generation, die Rechenaufgaben, für die konventionelle Rechner mehrere Jahre brauchen würden, binnen Sekunden lösen können – sowie mögliche Durchbrüche in der Mathematik gefährden die Sicherheit dieser Methode jedoch nachhaltig.

Aus diesem Grund bedarf es neuer Ansätze, um schon heute die langfristige Sicherheit unserer Daten sicherzustellen. Die Kommunikation mithilfe von Quanten verspricht hier ein völlig neues Maß an Sicherheit. Im Gegenzug zu konventionellen Kryptografie-Verfahren basiert die Quantenkryptografie auf physikalischen Prinzipien. Die technologische Grundlage dafür ist der sogenannte Quantenschlüsselaustausch, auf Englisch »Quantum Key Distribution«, kurz: QKD. Die QKD ermöglicht die gemeinsame Nutzung von Zufallsschlüsseln zwischen legitimen Nutzern, indem es besondere Sicherheit auf der Grundlage der Gesetze der Quantenmechanik und nicht auf der Rechenleistung eines Gegners garantiert.

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• Quantenkommunikation im Weltraum

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