Quelle: Ludwig-Maximilians-Universität München 11. Juli 2024.

11. Juli 2024 – Nach jahrelanger Forschung ist es nun endlich soweit: Das interdisziplinäre Konsortium QUBE schießt seinen ersten Satelliten in den Orbit. „Das ist wirklich ein Meilenstein“, sagt Harald Weinfurter, Professor für Experimentelle Quantenphysik an der LMU. „Bisher gibt es praktisch keine Satelliten in der Erdumlaufbahn, die weltweite Quantenschlüsselverteilung ermöglichen“. Nur China habe bereits solche Technologie ins All geschickt, allerdings sind die chinesischen Satelliten sehr groß und teuer.

Quantenschlüssel aus dem All
Das BMBF-geförderte Verbundprojekt QUBE (Quantenverschlüsselung mit Cube-Sat) hatte es sich unter Konsortialführung der LMU zum Ziel gesetzt, Hardware für eine weltweite, abhörsichere Kommunikation mittels Nano-Satelliten zu entwickeln und zu testen. Durch den Einsatz von Quantenzuständen für die Erzeugung von geheimen Schlüsseln kann abhörsichere Kommunikation durch Einsatz der Quantenverschlüsselung ermöglicht werden. Im Gegensatz zu Glasfasernetzwerken, bei denen auf Grund von Leitungsverlusten die Übertragung auf wenige 100 km beschränkt ist, kann durch den Einsatz von Satelliten der Austausch geheimer Schlüssel in Zukunft zwischen mehreren Bodenstationen und Satelliten weltweit durchgeführt werden.

Weltraum-Hightech auf kleinstem Raum
Um dies möglichst effizient zu realisieren, arbeiteten bei QUBE führende Forschungsgruppen aus den Gebieten der Optik und Quantenkommunikation intensiv mit innovativen Unternehmen und Einrichtungen aus den Bereichen der Kommunikations-, Satelliten- und Raumfahrttechnik zusammen. Es gelang dem Konsortium, die Technologie sowie die erforderlichen kompakten Komponenten zur Erzeugung von Quantenschlüsseln so weiterzuentwickeln, dass sie vollständig auf einen Kleinstsatelliten – einen sogenannten CubeSat – passen. Mit einer Gesamtmasse von 3,53 Kilogramm ist das gesamte Modul nicht größer als eine Schuhschachtel.

Interdisziplinäres Teamwork bei Forschung
Das unabhängige Forschungsinstitut Zentrum für Telematik (ZfT) in Würzburg war als Projektpartner für die Entwicklung des dafür nötigen Satelliten zuständig. „Eine besonders hohe technische Herausforderung war die Miniaturisierung der nötigen Satellitenfunktionen, insbesondere der hochgenauen Ausrichtung auf die Bodenstation, damit eine stabile optische Verbindung aufgebaut werden kann. Hier wird eine bisher bei Nano-Satelliten noch nicht erreichte Genauigkeit erzielt“, hebt Professor Klaus Schilling, Vorstand des ZfT hervor. Damit Informationen zwischen Cube-Sat und Bodenstation ausgetauscht werden können, entwickelte das Institut für Kommunikation und Navigation des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt Oberpfaffenhofen leistungsfähige optische Kommunikationssysteme im Miniaturformat.

Die Forschenden von LMU, Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen (MPL) und Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) liefern die Module, welche die Quantenzustände im Satellit erzeugen und am Boden analysieren sollen. „Unsere miniaturisierten Quantenkommunikationskomponenten wurden so entwickelt, dass sie auch bei den extremen Vibrations-, Temperatur- und Strahlungsbelastungen beim Start und beim Einsatz im All voll funktionstüchtig bleiben“, erklärt Christoph Marquardt, Professor an der FAU.

Abhörsichere Kommunikation weltweit
Nach der Entwicklung von QUBE arbeitet das Team im nächsten Schritt an QUBE II – einem etwa doppelt so großen Satelliten, der dank besserer Optik und Hardware sichere Schlüssel mit Bodenstationen effizient erzeugen und austauschen kann. Die Satellitenfirma OHB stand bisher beratend zur Seite und leitet nun das Folgeprojekt QUBE II. „Quantenschlüsselverteilung ist eine der ersten, wichtigen Anwendungen der Quantentechnologien. Es gibt bereits kommerzielle Geräte für lokale Glasfasernetzwerke“, erklärt Norbert Lemke (OHB). „Die im Rahmen der Vorhaben QUBE und QUBE-II entwickelten Hardwarekomponenten werden kostengünstige, weltweite Quantenschlüsselerzeugung per Kleinstsatellit ermöglichen“. Mit dem Satellitenstart Anfang Juli ist ein wichtiger Schritt in Richtung einer abhörsicheren, globalen Kommunikation getan.

Raketenstart am 18. Juli 2024 geplant
Nachdem QUBE ein umfangreiches Testprogramm erfolgreich absolviert hat, ist der Satellit mittlerweile bereits am Startplatz in Vandenberg (Kalifornien) angekommen. Dort wird er auf einer Falcon-9-Rakete von SpaceX integriert und dann voraussichtlich am 18. Juli 2024 in eine sonnensynchrone Erdumlaufbahn befördert. Im Satellitenkontrollzentrum des ZfT in Würzburg wird der Raketenstart live für die Forschenden und Gäste übertragen. Direkt anschließend wird dann von dort der Satellit in Betrieb genommen. Während der nächsten Monate werden die einzelnen Komponenten aktiviert und noch einmal getestet, bis dann die ersten Quantensignale mit der Bodenstation am DLR Oberpfaffenhofen während der kurzen Überflüge in der Nacht empfangen und analysiert werden sollen.

Die Launch-Party findet zum geplanten Raketenstart, voraussichtlich am 18. Juli 2024, in der Testhalle des ZfT in Würzburg statt, wo schon intensive Tests des QUBE Lageregelungssystems durchgeführt wurden. Es werden dort auch Modelle des Satelliten und der Quantentechnologie-Nutzlast ausgestellt.

Aktuelle Neuigkeiten werden jeweils auf der Webseite telematik-zentrum.de abrufbar sein. Anbei finden Sie zwei Fotos für Ihre redaktionelle Verwendung. Für weiteres Fotomaterial wenden Sie sich bitte an den unten genannten Ansprechpartner.

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• Transporter-11 auf Falcon-9

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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: 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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Quelle: Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik 17. Oktober 2022.

17. Oktober 2022 – Auf kurzen Distanzen sind verschränkte Photonen bereits in verschiedenen Experimenten erfolgreich ausgetauscht worden. Doch der interkontinentale und damit potenziell globale Austausch ist nach wie vor eine Herausforderung. Dem stellt sich das neue Forschungsprojekt HYPERSPACE. Gemeinsam wollen Forschende aus Europa und Kanada hier die Grundlage für eine kanadisch-europäische Verbindung schaffen. Die strategische Zusammenarbeit richtet ihr Augenmerk dabei auf die Erforschung integrierter Quantenphotonik sowie optischer Weltraumkommunikation zugunsten eines satellitengestützten Quantennetzwerkes zwischen den Kontinenten.

Verschränkungsverteilung im Weltraum
Weltweit gibt es immer wieder Experimente, um verschränkte Photonen über möglichst weite Distanzen auszutauschen, z. B. mittels Freistrahl durch die Luft oder über im Boden verlegte Glasfasern. Allerdings schränken das Detektorrauschen sowie die unvermeidlichen Verluste bei einer faserbasierten Übertragung die Reichweite terrestrischer Übertragung derzeit noch auf einige hundert Kilometer ein. In Zukunft könnten sogenannte Quanten-Repeater Verschränkungen auch über längere Faserstrecken ermöglichen. Jedoch stehen Forschende noch vor einer Vielzahl technologischer Herausforderungen bis eine hinreichende Steigerung der Reichweite, wie sie für ein globales Netzwerk nötig wäre, möglich wird. Die Lösung: der direkte Austausch von verschränkten Photonen im Weltraum via optischer Satellitenverbindungen.

Das übergreifende Ziel von HYPERSPACE ist es daher, die satellitengestützte Quantenkommunikation anhand von Experimenten zu skalierbaren globalen Quantennetzwerken weiterzuentwickeln. Zu diesem Zweck umfasst HYPERSPACE die Forschung und Innovation entlang der gesamten Prozesskette der photonischen Quantenkommunikation: von der rauschresistenten Zustandscodierung über vollständig fasergebundene und photonisch integrierte Quantenlichtquellen sowie freiraumkompatible Zustandsanalysatoren bis hin zur Implementierung fortgeschrittener Protokolle, die durch die Nutzung der Verschränkung in mehreren Freiheitsgraden – der so genannten Hyperverschränkung – erleichtert oder sogar erst ermöglicht werden.

Acht Partner aus Europa und Kanada
An dem Projekt sind insgesamt acht Partner aus Europa und Kanada beteiligt: Neben dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF sind dies die Università degli Studi di Pavia und Università degli Studi di Padova (beide Italien), das Commissariat à l’énergie atomique et aux énergies alternatives CEA-LETI (Frankreich), die Technische Universität Wien (Österreich), das Institut National de la Recherche Scientifique sowie die University of Toronto und University of Waterloo (alle Kanada). Koordiniert wird das Forschungsvorhaben durch das Fraunhofer IOF in Jena.

Das Projekt wird von der Europäischen Kommission (im Rahmen des Programmes Horizont Europa) sowie dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) mit 2,8 Millionen Euro kofinanziert. 300.000 Euro davon fließen an das Fraunhofer IOF.

Anwendungen in Informationstechnik und Sensorik
Die Quantenverschränkung, die einst von Albert Einstein noch als »spukhafte Fernwirkung« beschrieben wurde, gilt heute als Schlüsselressource für neuste Anwendungen in der Informationsverarbeitung und Sensorik. Ein globales Quanteninternet kann deutlich verbesserte, bisher sogar undenkbare Anwendungen ermöglichen, wie z. B. eine präzisere Synchronisation von Uhren, ein hocheffizientes Cloud-Computing oder auch eine hochsichere Datenübertragung mittels Quantenkryptographie.

Im Gegensatz zu konventionellen Kryptographie-Verfahren, die Sicherheit durch den mit einer Entschlüsselung verbundenen Rechenaufwand gewähren, basiert die Sicherheit der Quantenkryptographie auf physikalischen Prinzipien.

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• Quantenkommunikation im Weltraum

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Quelle: DLR 12. Oktober 2022.

12. Oktober 2022 – Satelliten werden zusehends zu Netzwerkknoten des Internets. Während terrestrische Knoten über Glasfasernetze eingebunden sind, können Satelliten mit aktuellen Entwicklungen nur dann mithalten, wenn sie ebenfalls optisch vernetzt werden. Programme der europäischen Kommission wie die Secure Connectivity Initiative stützen sich ebenso auf diese Technologie wie eine Vielzahl kommerzieller Netzwerke wie Starlink oder Oneweb, die mit ihren nächsten Generationen ähnliche Entwicklungen anstreben. Im Zentrum der Überlegungen stehen optische Satellitenlinks, wie sie am Institut für Kommunikation und Navigation des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) seit mehr als 20 Jahren konzipiert, entwickelt und getestet werden. Optische Verbindungen werden zudem nicht nur für Kommunikationsnetzwerke in Betracht gezogen, sondern auch für die Quantenverschlüsselung. Diese soll das sichere Internet der Zukunft ermöglichen und die nächste Generation von Satellitennavigationssystemen. Das DLR betreibt seit vielen Jahren experimentelle Bodenstationen, um diese Technologien voranzutreiben. Am 12. Oktober 2022 wurde nun eine neue leistungsstärkere Bodenstation am DLR-Standort Oberpfaffenhofen eingeweiht.

„Zukünftig wird es immer wichtiger, Satelliten effizient miteinander zu vernetzen sowie den Datenaustausch zum Boden sicher und leistungsstark zu gestalten im Angesicht der immer größeren Datenmengen bei Kommunikation, Navigation und Erdbeobachtung ebenso wie vor dem Hintergrund knapper werdender Funklizenzen“, sagt die DLR-Vorstandsvorsitzende Prof. Dr.-Ing. Anke Kaysser-Pyzalla. „Die optische Freiraumkommunikation bietet hier eine vielversprechende Perspektive, deren vielfältige Möglichkeiten wir mit der neu ausgebauten Bodenstation in Oberpfaffenhofen austesten und weiterentwickeln werden. Insbesondere bei der Absicherung des Austauschs sensibler Daten etwa bei kritischen Infrastrukturen im All und auf der Erde können uns Lösungen der satellitenbasierten Quantenkommunikation entscheiden voranbringen.“ Das Kernstück der neuen optischen Bodenstation ist ein neues Teleskop mit 80-Zentimeter Durchmesser in einer sogenannten Coudé-Anordnung, bei der das Licht des Teleskops über Spiegel direkt in ein Labor darunter geführt wird. Dies ermöglicht völlig neue Experimente, die in dieser Form bislang nicht durchgeführt werden konnten.

Datenübertragung mit Terabit-Geschwindigkeit
Optische Verbindungen zwischen Satelliten und den Empfangsstationen am Boden, wie sie bei der Anbindung von Kommunikationssatelliten an das Internet oder bei der Datenübertragung von Erdbeobachtungsatelliten an deren Daten-Prozessierungszentren eingesetzt werden, sind mit dem nötigen Weg durch die Atmosphäre eine besondere Herausforderung. Temperaturschwankungen in der Atmosphäre führen zu einer Verzerrung der optischen Satellitensignale, die Übertragungsfehler bewirken können.

Die neue Bodenstation erlaubt es diese Phänomene genauer als bisher zu untersuchen, um Verfahren für eine fehlerfreie Übertragung auch unter schwierigen Bedingungen zu erreichen. So zielen die Arbeiten des DLR-Instituts für Kommunikation und Navigation sowohl darauf ab, Signale am Boden bestmöglich empfangen zu können, als auch die Sendesignale der Bodenstation so „vorzuverzerren“, dass sie den Satelliten im All möglichst ungestört erreichen. In bodennahen Versuchen konnte das Institut bereits 2016 eine Übertragungsrate von 1,72 Terabit pro Sekunde erreichen und 2017 eine Übertragungsrate von 13,2 Terabit pro Sekunde realisieren. Diese Datenrate würde ausreichen, um ganz Westeuropa mit einer schnellen Internetanbindung zu versorgen. Mit der neuen Bodenstation sollen solche Versuche nun auch mit Satelliten durchgeführt werden.

Quantenschlüssel aus dem All
Eine genaue Entzerrung des Satellitensignals ist zudem eine Grundvoraussetzung, um Quantenschlüssel aus dem All möglichst effizient verteilen zu können. Das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation hat dazu erfolgreiche Vorarbeiten geleistet und bereits im Jahr 2013 zusammen mit der Ludwig-Maximilians-Universität München (LMU) erfolgreiche Übertragungsversuche von einem Flugzeug zum Boden durchgeführt. Quantenschlüssel sollen künftig genutzt werden, um die verschlüsselte terrestrische Übertragung so abzusichern, dass sie Angriffen durch Quantencomputer standhalten. „Eine beweisbar sichere Absicherung der Kommunikation ist insbesondere für Nutzer wie Regierungsstellen, Behörden, Banken, Versicherungs- und Industriegesellschaften von immenser Bedeutung“, sagt Dr. Susann Groß, Leiterin der DLR-Programmdirektion für Raumfahrtforschung und -technologie.

Präzisere Navigation mit optischen Satellitenlinks
Satellitennavigationssysteme wie das europäische Galileo und das amerikanische GPS sind bereits heute als unabdingbare Infrastrukturen im alltäglichen Leben und Wirtschaften verankert. Sie senden präzise Zeitsignale aus. Wenn der Empfänger diese Information von mindestens vier Satelliten empfängt, die Uhren korrekt synchronisiert und die Satellitenbahnen genau bekannt sind, kann der Empfänger daraus seine exakte Position ermitteln. Um die Zeitsignale der Satelliten zu synchronisieren und die Satellitenbahnen zu bestimmen, muss heute ein komplexer Prozess auf der Basis von Messungen einer Vielzahl von Sensorstationen am Boden ablaufen. Am DLR wurde mit Kepler ein neuer Ansatz entwickelt, bei dem optische Verbindungen zwischen Navigationssatelliten eingesetzt werden. Diese optischen Verbindungen werden genutzt, um die Satelliten direkt zu synchronisieren und um die Bahnen mit nur zwei Bodenstationen exakt zu bestimmen. Dies führt nicht nur zu einer deutlichen Vereinfachung des Systems, sondern auch zu einer erheblich verbesserten Genauigkeit

„Der Kepler-Ansatz hat das Potenzial die zukünftige Automatisierung im Verkehr durch hochpräzise Ortsdaten deutlich zu erleichtern“, sagt Dr. Pagels-Kerp, DLR-Bereichsvorständin Raumfahrt. Zudem wäre das System kaum mehr anfällig für Störungen, die heute etwa in Kriegs- und Krisengebieten willentlich herbeigeführt werden. In diesem Kontext wird die neue Bodenstation wertvolle Beiträge für die Validierung der DLR-Konzepte liefern.

Technologietransfer
Das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation ist eine der weltweit führenden Forschungseinrichtungen für die Entwicklung optischer Freiraumverbindungen. Im Umfeld des Instituts haben sich Firmen wie TESAT Spacecom in Backnang und die Ausgründung Mynaric zu den bedeutendsten Firmen in diesem Sektor entwickelt. Die neue Bodenstation wird dabei helfen, diese starke deutsche Positionierung zu erhalten und weiterzuentwickeln.

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• DLR

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Quelle: Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina 4. Oktober 2022.

4. Oktober 2022 – Der Präsident der Nationalen Akademie der Wissenschaften Leopoldina Gerald Haug beglückwünscht Anton Zeilinger zu dieser hohen Auszeichnung: „Der diesjährige Physiknobelpreis würdigt bedeutsame Forschungsergebnisse, die den Grundstein für eine neue Ära der Quantentechnologie gelegt haben. Wir freuen uns, dass mit Anton Zeilinger ein Leopoldina-Mitglied aus Österreich unter den Laureaten ist.“

Anton Zeilingers Forschung führte zu neuen Erkenntnissen in der Quantentechnologie und zu einem neuen Verständnis in der Interpretation der Quantenmechanik. Er lieferte Arbeiten zu Quanteninformation und Quantenkryptografie. 1997 gelang ihm die Demonstration der Verschränkung von mehr als zwei Teilchen, auch Quantenteleportation genannt. Dabei findet eine direkte Übertragung des Zustands eines Lichtteilchens unter Überwindung von Zeit und Raum statt. Dieser Vorgang ist ein Verfahren der Quantenkommunikation, bei dem keine Teilchen im klassischen Sinn von einem Ort zum anderen übertragen werden, sondern lediglich ihr Quantenzustand. Weitere Entwicklungen führten schließlich zur Quantenkryptografie, die sich ebenfalls der Verschränkung von Teilchen bedient. Diese Technik ermöglicht abhörsichere Verschlüsselungen von Nachrichten und Datenübertragungen.

Anton Zeilinger (Jahrgang 1945) studierte Physik und Mathematik an der Universität Wien (Österreich), wo er 1971 promoviert wurde. Nach seiner Habilitation 1979 forschte und lehrte Zeilinger unter anderem am Massachusetts Institute of Technology (MIT) in Boston (USA), an der Technischen Universität München, in Oxford (UK) und in Paris (Frankreich). 1999 wurde er als Ordentlicher Professor für Experimentalphysik an die Universität Wien berufen. 2013 bis 2022 war er Präsident der Österreichischen Akademie der Wissenschaften. Zeilinger wurde für seine Forschung vielfach ausgezeichnet, unter anderem mit dem Descartes-Preis (2005), mit der Isaac-Newton-Medaille (2008), dem Wolf-Preis für Physik (2010) sowie dem kanadischen John Stewart Bell Prize (2017). Zeilinger ist seit 2005 Mitglied der Leopoldina. Er war Mitautor der 2015 erschienenen Leopoldina-Stellungnahme „Perspektiven der Quantentechnologie”.

Der Nobelpreis für Physik ist derzeit mit insgesamt zehn Millionen schwedischen Kronen (umgerechnet rund 920.000 Euro) dotiert. Das Preisgeld erhalten die drei Preisträger zu gleichen Teilen. Alle Nobelpreise werden den Preisträgerinnen und Preisträgern traditionell am 10. Dezember überreicht, dem Todestag des Stifters Alfred Nobel.

Die Leopoldina hat mehr als 1.600 Mitglieder, darunter sind nunmehr 36 Nobelpreisträgerinnen und Nobelpreisträger.

Über die Nationale Akademie der Wissenschaften Leopoldina
Als Nationale Akademie der Wissenschaften leistet die Leopoldina unabhängige wissenschaftsbasierte Politikberatung zu gesellschaftlich relevanten Fragen. Dazu erarbeitet die Akademie interdisziplinäre Stellungnahmen auf der Grundlage wissenschaftlicher Erkenntnisse. In diesen Veröffentlichungen werden Handlungsoptionen aufgezeigt, zu entscheiden ist Aufgabe der demokratisch legitimierten Politik. Die Expertinnen und Experten, die Stellungnahmen verfassen, arbeiten ehrenamtlich und ergebnisoffen. Die Leopoldina vertritt die deutsche Wissenschaft in internationalen Gremien, unter anderem bei der wissenschaftsbasierten Beratung der jährlichen G7- und G20-Gipfel. Sie hat 1.600 Mitglieder aus mehr als 30 Ländern und vereinigt Expertise aus nahezu allen Forschungsbereichen. Sie wurde 1652 gegründet und 2008 zur Nationalen Akademie der Wissenschaften Deutschlands ernannt. Die Leopoldina ist als unabhängige Wissenschaftsakademie dem Gemeinwohl verpflichtet.

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• Quantenkommunikation im Weltraum?

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Quelle: Fachhochschule St. Pölten 29. September 2022.

29. September 2022 – Digitalisierung und Globalisierung benötigen eine sichere Kommunikation. Bisherige Verfahren der Kryptografie verschlüsseln Daten mit hochsicheren mathematischen Methoden. Doch mit immer leistungsfähigeren Rechnern, insbesondere wenn einmal leistungsfähige Quantencomputer existieren, werden diese bestehenden Ansätze zu unsicher.

Daher versucht man schon seit Jahrzehnten physikalische Methoden zu finden. Begonnen haben diese Verfahren mit der „Quantenkryptografie“. Doch sie ist sehr teuer und weltweit massentauglich nicht einsetzbar, vor allem bei größeren Entfernungen.

Datensicherung mit Funksignalen und Satelliten
Dem gegenüber wird seit rund 15 Jahren an einer neuen Methode geforscht, die auf der Messung von Funkkanaleigenschaften basiert und massentauglich und kostengünstig ist. Sie eignet sich aber nur für kurze Entfernungen bis ca. 20 km.

„Uns ist es in einem Forschungsprojekt gelungen die Technologie auch für große Entfernungen, d. h. weltweit mit Hilfe von Satelliten, einsetzbar zu machen. Sie wird daher Satellitenkryptografie genannt. Da weltweit noch keine einzige Publikation und kein Patent über diese Methode existiert, haben wir die Forschungsergebnisse in einer internationalen Patentanmeldung umfangreich geschützt“, sagt Ernst Piller.

„Die FH St. Pölten und ihre Forscher*innen sind seit Jahren sehr aktiv im Bereich des Technologietransfers. Das Patent für Ernst Pillers Projekt ist ein wichtiger Erfolg aus diesen Bestrebungen. Dass das Patent nun zu den wichtigsten Erfindungen und Entdeckungen Niederösterreichs zählt, zeigt die Forschungsstärke an unserer FH und ich gratuliere Ernst Piller herzlich zu dieser Würdigung“, sagt Hannes Raffaseder, Chief Research and Innovation Officer der FH St. Pölten.

Ausgezeichnetes Forschungsprojekt
Piller Forschungsarbeiten erzielten in Niederösterreich bereits den ersten Platz beim Preis „riz up GENIUS“ in der Kategorie „Geniale Forschung“ und beim niederösterreichischen Innovationspreis in der Kategorie Forschung.

Warten auf kommerzielle Nutzung
„Eine kommerzielle Nutzung ist aber erst im nächsten Jahrzehnt von Bedeutung, weil dann leistungsfähige Quantencomputer existieren. Wir streben die kommerzielle Nutzung aber unbedingt weltweit an“, sagt Piller.

Das Land Niederösterreich präsentierte bei der Veranstaltung gestern Abend die Sonderbroschüre „100 Jahre Erfindungen und Entdeckungen aus NÖ – ein Streifzug“. In ihr werden alle gewürdigten Patente und Erfindungen vorgestellt.

Über die Fachhochschule St. Pölten
Die Fachhochschule St. Pölten ist Anbieterin praxisbezogener und leistungsorientierter Hochschulausbildung zu den Themen Medien, Kommunikation, Management, Digitale Technologien, Informatik, Security, Bahntechnologie, Gesundheit und Soziales. In 6 Departments bieten 26 Studiengänge und zahlreiche Weiterbildungslehrgänge ca. 3.700 Studierenden eine zukunftsweisende Ausbildung. Hierbei werden Lehre und Forschung eng verzahnt. Als European University leitet die FH St. Pölten die europäische Hochschulallianz E³UDRES² (Engaged – European – Entrepreneurial University as Driver for European Smart and Sustainable Regions) und arbeitet mit Hochschulen aus 7 Partnerländern an der Entwicklung smarter und nachhaltiger Regionen.

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• Satellitenkryptografie

Der Beitrag Patent zur Satellitenkryptografie: IT-Projekt unter den besten Erfindungen aus 100 Jahre Niederösterreich erschien zuerst auf Raumfahrer.net.

Quelle: SES (22. September 2022) via Business Wire (23. September 2022).

September 22, 2022 04:40 AM Eastern Daylight Time – Luxemburg –(BUSINESS WIRE)– Ein Konsortium von 20 europäischen Unternehmen unter der Leitung von SES wird mit Unterstützung der Europäischen Weltraumorganisation ESA und der Europäischen Kommission das Satellitensystem EAGLE-1 für die sichere Quantenschlüsselverteilung (QKD – Quantum Key Distribution) entwerfen, entwickeln, starten und betreiben und die Demonstration und In-Orbit-Validierung des künftigen paneuropäischen Cybersicherheitssystems durchführen.

Die bahnbrechende Partnerschaft zwischen der ESA und dem von SES geleiteten Konsortium, welches von der Europäischen Kommission unterstützt wird, bringt Europa an die Spitze der Innovation in der Raumfahrt und der satellitengestützten QKD. Gemeinsam mit seinen europäischen Partnern wird SES mit der Entwicklung und dem Betrieb eines speziellen Satelliten in der niedrigen Erdumlaufbahn (LEO) sowie der Einrichtung eines hochmodernen QKD-Betriebszentrums in Luxemburg das erste eigenständige europäische End-to-End-System für weltraumgestützte QKD aufbauen. Das Projekt wird von der ESA im Rahmen des ARTES-Forschungsprogramms mit Beiträgen Deutschlands, Luxemburgs, Österreichs, Italiens, der Niederlande, der Schweiz, Belgiens und der Tschechischen Republik sowie von der Europäischen Kommission über das Programm Horizon Europe kofinanziert.

Mit dem EAGLE-1-System stoßen die ESA und die Mitgliedstaaten der Europäischen Union die Demonstration und In-Orbit-Validierung von QKD-Technologien zwischen der niedrigen Erdumlaufbahn und der Erde an. Das Projekt EAGLE-1 wird wertvolle und nützliche Daten für die Entwicklung der nächsten Generation von Quantenkommunikationsinfrastrukturen (QCI) bereitstellen und damit beispielsweise zu den Plänen der EU beitragen, souveräne, autonome und grenzüberschreitende sichere Quantenkommunikationsnetze aufzubauen.

Der Launch des EAGLE-1-Satelliten ist für 2024 geplant und wird dann mit Unterstützung der Europäischen Kommission eine dreijährige Mission in der Umlaufbahn absolvieren. Während dieser Betriebsphase bietet der Satellit Regierungen und Institutionen aus der EU sowie sicherheitsrelevanten Operationen einen ersten Zugang zu der QKD-Technologie über große Entfernungen und ebnet damit den Weg zum Aufbau einer europäischen Konstellation für die ultrasichere Datenübertragung.

Um das System für den Austausch hochsicherer kryptografischer Schlüssel von EAGLE-1 umzusetzen, wird das Konsortium die QKD-Nutzlast, die optische Bodenstation, skalierbare Netze für die Quantennutzung sowie das System zur Verwaltung der Schlüssel als Schnittstelle für die nationalen QCIs entwickeln.

ESA-Generaldirektor Josef Aschbacher erklärte: „Die europäische Innovation in der Raumfahrt hat sowohl vom technologischen als auch vom wirtschaftlichen Standpunkt aus stark an Dynamik gewonnen. Sie ermöglicht uns, in wichtigen Zukunftsbereichen wie sichere Kommunikation, Netzwerke der nächsten Generation und Cybersicherheit tragfähige Weltraumprojekte zu entwickeln und durchzuführen. Unter der Leitung der ESA, teilweise finanziert von der Europäischen Kommission und umgesetzt von SES, gibt EAGLE-1 heute schon einen Vorgeschmack darauf, wie Europas sichere und skalierbare Quantenkommunikationsinfrastruktur von morgen aussehen wird.“

Elodie Viau, Direktorin für Telekommunikation und Integrierte Anwendungen (TIA) bei der ESA, sagte: „In der heutigen, immer stärker vernetzten Welt ist es absolut entscheidend, die Vertraulichkeit von Informationen zu gewährleisten. Ein robustes System zur Verschlüsselung sowie Technologien zu ihrer sicheren Verteilung sind dafür unerlässlich. Wir sind stolz darauf, diese Partnerschaft zwischen der ESA und einem von SES geführten Konsortium zu schmieden, um EAGLE-1 als hochsicheres und autonomes System zur Quantenschlüsselverteilung zu entwickeln. Die ESA ermöglicht es der europäischen Raumfahrtindustrie, ihre Kräfte in groß angelegten Programmen zu bündeln und damit ihre Wettbewerbsfähigkeit zu steigern.“

„Die europäische Sicherheit und Souveränität in einer zukünftigen Welt des Quantencomputing ist entscheidend für den Erfolg Europas und der EU Mitgliedstaaten“, sagte Steve Collar, CEO von SES. „Wir sind stolz darauf, in Zusammenarbeit mit der ESA, der Europäischen Kommission und der Regierung Luxemburgs unser Knowhow in Systemen in verschiedenen Umlaufbahnen sowie unsere innovativen Plattformen und Lösungen in den Dienst der Quantenkommunikation und des EAGLE-1-Systems zu stellen. Dieser Satellit wird der Grundstein für die Entwicklung der zukünftigen, sicheren und eigenständigen Netzwerke Europas sein.“

Über die ESA
Die Europäische Weltraumorganisation (ESA) ist das Tor Europas zum Weltraum. Sie ist eine 1975 gegründete zwischenstaatliche Organisation, deren Aufgabe darin besteht, europäische Raumfahrtkapazitäten zu entwickeln und sicherzustellen, dass die Investitionen in die Raumfahrt den Bürgern in Europa und weltweit zugutekommen. Mehr über die ESA erfahren Sie unter www.esa.int.

Die Direktion für Telekommunikation und Integrierte Anwendungen (TIA) unterstützt die Innovation zur Förderung der Wettbewerbsfähigkeit der europäischen Industrie auf dem Weltmarkt für Raumfahrt. Dazu gehört eine große Bandbreite von Tätigkeiten, von weltraumgestützten Technologien, Systemen und Produkten für die Entwicklung der Telekommunikation bis hin zur Anwendung weltraumgestützter Dienste auf der Erde. Weitere Informationen finden Sie unter https://connectivity.esa.int/.

Über SES
SES hat die Vision, durch die Verbreitung von Fernsehinhalten in höchster Qualität und die Bereitstellung nahtloser Konnektivität beeindruckende Erlebnisse rund um den Erdball zu ermöglichen. Als führender globaler Anbieter von Konnektivitätslösungen für Inhalte betreibt SES eine weltweit einzigartige Satellitenkonstellation in mehreren Umlaufbahnen, welche weltweite Abdeckung mit Leistungsstärke kombiniert – darunter das wirtschaftliche, mit geringer Latenz arbeitende O3b-System in der mittleren Erdumlaufbahn. Mithilfe des umfangreichen 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, Mobilfunkbetreiber, staatlicher Regierungsbehörden, Konnektivitäts- und Cloud-Dienstleistern, Rundfunkanbietern, Betreibern von Videoplattformen und Inhalteanbietern. Das Videonetzwerk von SES versorgt mehr als 8.000 Kanäle und erreicht mit seiner beispiellosen Reichweite rund 366 Millionen Haushalte. Zudem stellt es Mediendienstleistungen 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.

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• Quantenkommunikation im Weltraum

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Quelle: Fraunhofer IAF.

13. Dezember 2021 – Die ausgewählte Studie sieht unter dem Projekttitel »UN:IO« eine neuartige Satellitenkonstellation mit hochleistungsfähiger Kommunikationstechnik in verschiedenen Orbits vor, deren Satelliten nach ihrer Nutzungsdauer auf die Erde zurückkehren und so Weltraumschrott vermeiden.

Durch eine solche satellitengestützte Kommunikationsinfrastruktur mit hohen Bandbreiten und kurzen Latenzen auch in entlegenen Regionen will die Europäische Union ihre Souveränität in zahlreichen Zukunftstechnologien sichern, darunter autonome Mobilität und digitalisierte Produktionsprozesse. Umsetzen möchte dieses Vorhaben ein Konsortium aus rund 20 mittelständischen Raumfahrtunternehmen und Start-ups. Die Studie zur Umsetzung des Projekts, an der das Fraunhofer-Institut für Naturwissenschaftlich-Technische Trendanalysen INT sowie das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF beratend beteiligt sind, wird nun von der EC für sechs Monate mit 1,4 Millionen Euro gefördert.

Die von der EC geförderte Studie befasst sich mit der Analyse, Erforschung und Bewertung von mehreren Technologie-Komplexen, die das Innovationsniveau der »UN:IO«-Konstellation erhöhen werden. Dazu zählen unter anderem die Verknüpfung von Funkverbindungen mit optischer Kommunikation, ein von GPS-Daten unabhängiger Betrieb der Satelliten und die Nutzung von Quantum-Key-Distribution-Konzepten zur Erhöhung der Datensicherheit. Ein weiterer zu untersuchender Aspekt ist die Interoperabilität von »UN:IO« mit zwei anderen großen europäischen Satellitenkonstellationen, Galileo (Navigation) und Copernicus (Erdbeobachtung).

Beratung im Bereich Hochfrequenzelektronik und Qualitätssicherung der Studie
Das Fraunhofer INT ist mit seinem Geschäftsfeld Corporate Technology Foresight (CTF) federführend für das querschnittlich angelegte Arbeitspaket (Work Package, WP) 6 verantwortlich. Das WP dient der wissenschaftlichen Qualitätssicherung der eingesetzten Methoden und der Sicherstellung fundierter Ergebnisse. Als Teil dieser Aufgabe wertet das Fraunhofer INT systematisch eine sehr große Zahl vorhandener Studien, Publikationen und Datenbanken aus, um den weltweiten Stand der Dinge im Bereich der sicheren Kommunikationstechnologien zu ermitteln und zu verifizieren. Dieses Wissen ist eine wichtige Voraussetzung für das Projektkonsortium, um mit dem Projekt über diesen Stand der Dinge hinauszugehen und echte Innovationen zu entwickeln und zu implementieren.

Unterstützt wird CTF dabei von der ebenfalls am Fraunhofer INT verorteten Geschäftsstelle des Fraunhofer Leitmarktes Luft- und Raumfahrtwirtschaft, die bestens mit den für die Raumfahrt relevanten Akteuren in der Fraunhofer-Gesellschaft und darüber hinaus vernetzt ist und somit einen wertvollen Beitrag zum Aufbau der Datenbasis leisten wird.

Forschende des Fraunhofer IAF beraten das Konsortium speziell zur Nutzung leistungsstarker Satellitenkommunikationstechnik. In mehreren Berichten beurteilen sie die Chancen und Grenzen breitbandiger E- und W-Band-Frequenzen für Anwendungen in der »UN:IO«-Konstellation, analysieren mögliche Lösungen zur technischen Umsetzung und empfehlen geeignete elektronische Komponenten, etwa für energieeffiziente Sender und hochsensitive Empfänger. So trägt das Fraunhofer IAF zur Implementierung hochperformanter Halbleiterkomponenten im Projekt bei, die für eine langfristige Realisierung der genannten Zukunftstechnologien benötigt werden.

Über das Fraunhofer INT
Das Fraunhofer INT bietet wissenschaftlich fundierte Analyse- und Bewertungsfähigkeit über das gesamte Spektrum technologischer Entwicklungen. Vertieft wird dieser Überblick durch eigene Fachanalysen und -prognosen auf ausgewählten Technologiegebieten und durch eigene theoretische und experimentelle Arbeiten auf dem Gebiet elektromagnetischer und nuklearer Effekte.

Über den Fraunhofer-Leitmarkt Luft- und Raumfahrtwirtschaft
Die Luft- und Raumfahrt ist ein technologieintensiver Industriesektor, der das wirtschafts- und gesellschaftspolitische Leben erheblich beeinflusst. Fraunhofer unterstützt die Strategien der europäischen Luft- und Raumfahrtindustrie mit einem breiten Kompetenzportfolio und trägt dazu bei, deren Wettbewerbsposition zu sichern und auszubauen. Zusammengefasst wird dieses Portfolio im Fraunhofer-Leitmarkt Luft- und Raumfahrtwirtschaft. Organisiert wird der Leitmarkt über eine zentrale Geschäftsstelle, welche die eng verbundenen Branchen Luft- und Raumfahrt adressiert. Industrie, Wissenschaft und Politik finden hier den Einstieg in das Technologieportfolio der Fraunhofer-Gesellschaft für diese Branchen. Die Geschäftsstelle unterstützt unter anderem bei der Identifizierung geeigneter Ansprechpartner in den Instituten und organisiert institutsübergreifende Technologieangebote.

Über das Fraunhofer IAF
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF ist eine der weltweit führenden Forschungseinrichtungen auf den Gebieten der III/V-Halbleiter und des synthetischen Diamanten. Auf Basis dieser Materialien entwickelt das Fraunhofer IAF Bauelemente für zukunftsweisende Technologien, wie elektronische Schaltungen für innovative Kommunikations- und Mobilitätslösungen, Lasersysteme für die spektroskopische Echtzeit-Sensorik, neuartige Hardware-Komponenten für Quantencomputer sowie Quantensensoren für industrielle Anwendungen. Mit seinen Forschungs- und Entwicklungsarbeiten deckt das Freiburger Forschungsinstitut die gesamte Wertschöpfungskette ab – angefangen bei der Materialforschung über Design und Prozessierung bis hin zur Realisierung von Modulen, Systemen und Demonstratoren.

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• Großkonstellationen

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Quelle: UN:IO-Konsortium / Reflex Aerospace GmbH.

13. Dezember 2021 – Bis 2025 erhält Europa seine eigene Konstellation von Satelliten zur Sicherstellung souveräner Kapazitäten für kommerzielle wie institutionelle Kommunikationskanäle. Schnelles Internet, autonome Mobilität zu Wasser, zu Lande und in der Luft, selbsttätiger Austausch von Informationen zwischen technischen Anlagen, Unterstützung militärischer und humanitärer Aktionen sowie weitere Anwendungen für Behörden, Unternehmen und Bürger: das Projekt ist „Europas technologische Unabhängigkeitserklärung“, stellt Walter Ballheimer fest. Er ist Geschäftsführer des Satellitenhersteller Reflex Aerospace und Sprecher des inneren Konsortialkreises, gebildet von Reflex, dem Laserspezialisten Mynaric und dem Startdienstanbieter mit Fokus auf kleine und mittlere Satelliten Isar Aerospace. Die drei stehen an der Spitze einer stetig wachsenden Phalanx von derzeit rund zwanzig Raumfahrtunternehmen Europas. Sie alle setzen auf ihren Spezialgebieten die Maßstäbe für Innovation in der Raumfahrttechnik, haben darüber hinaus aber vor allem eines gemeinsam: es sind hauptsächlich kleine und mittelständische Unternehmen, zum Teil noch Startups, die diese Aufgabe angehen.

An derartiger Konzentration von Innovationskräften hat auch die Europäische Kommission großes Interesse; Das UN:IO Konsortium wurde vor wenigen Tagen für eine ihrer zwei, an Unternehmen aus dem Bereich des sogenannten „New Space“ adressierten und mit 1,4 Millionen Euro dotierten Studienausschreibungen ausgewählt. Denn für die EU hat ein sicheres, sehr schnelles und vor allem souveränes Kommunikationsnetz für Europa höchste Priorität. Zudem muss es Kriterien der Nachhaltigkeit für den „Green Deal“ der EU erfüllen und darüber hinaus schon heute die technische Brücke in eine entferntere Zukunft schlagen, deren Kommunikationsnetz in Europa dann durch Quantenverschlüsselung gegen Cyberattacken hochgradig geschützt sein wird.

Es besteht höchster Eilbedarf, denn noch steht Europa sehr weit hinter den USA und China zurück, die beide ihre Konstellationen von Kommunikationssatelliten schon weitgehend realisiert haben. Ohne deren Dienste fällt die Wirtschaft Europas in vielen Bereichen unweigerlich zurück; aber sie zu nutzen, birgt die Gefahr des Verlustes eigener Kontrolle. Höchste Zeit also für eine eigene Lösung, so Walter Ballheimer. „Wir haben in Europa alles, was wir brauchen – wir müssen es jetzt nur hoch effizient kombinieren und aktivieren. Für diese Aufgabe ist unser Konsortium bestens vorbereitet, denn Flexibilität, Schnelligkeit und Wirtschaftlichkeit bilden zusammen mit der Innovationskraft der technologischen Avantgarde des Kontinents die DNA des Raumfahrt-Mittelstandes. Beispiel 1: Bei UN:IO werden quantenkryptografische Verfahren von übermorgen zusammen mit unantastbaren Laserlinks sowohl Sicherheit als auch Geschwindigkeit garantieren. Beispiel 2: Anstelle von konventionellen Konzepten, die den niedrigen Erdorbit mit zehntausenden Satelliten verstopfen, erreichen wir noch höhere Kommunikationsleistungen durch intelligente Kombination unterschiedlicher Orbits mit nur einigen hunderten Satelliten. Und obendrein bringen wir diese dann, Beispiel 3, am Ende der Dienstzeit mit einem innovativen Bremssegel in Rekordtempo wieder aus dem All zurück, statt den Orbit mit Schrott zu vermüllen.“

In sechs Monaten wird das Konsortium, wie es die Bedingungen der finanziellen Förderung verlangen, der EU seine technischen Lösungen im Detail präsentieren. Parallel beginnt jedoch bereits auf Grundlage einer Finanzierung aus Eigenmitteln und Risikokapital der Aufbau der Hardwarestruktur, sodass schon im Jahre 2023 ein erster Demonstrator seine Arbeit im All aufnehmen kann. Ihm folgen über 400 weitere, mit Lasern vernetzte Satelliten, diverse Bodenstationen, mehrere Kontrollzentren und weitere Betriebsinfrastruktur. Bis 2025 soll Europas eigene UN:IO Konstellation vollständig in Betrieb genommen sein.

Eine erste Runde intensiver nicht öffentlicher Gespräche mit Spitzenvertretern deutscher Unternehmen und Verbände zum Leistungsangebot von UN:IO findet bereits auf der World Satellite Business Week in Paris Mitte Dezember statt, weitere folgen bis zum Sommer im deutschsprachigen, skandivanischen, baltischen und Mittelmeerraum. Ballheimer: „Darüber hinaus sind wir davon überzeugt, dass wir nationale Regierungen ebenso wie die EU selbst als Ankerkunden oder Partner werden gewinnen können. Die Vergabe der Studie an unser Konsortium werten wir als klares Vertrauensvotum der Kommission. Dafür sind wir dankbar.“

Über UN:IO
Das UN:IO Projekt ist ein gemeinsames Vorhaben von Reflex Aerospace, Mynaric und ISAR Aerospace mit breiter Unterstützung von KMU der Raumfahrtindustrie. Die Reflex Aerospace GmbH (Grüberger Str. 48b, 10245 Berlin, HRB267113), vertreten durch Walter Ballheimer, repräsentiert das Konsortium.

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• Großkonstellationen

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Quelle: Friedrich-Schiller-Universität Jena.

Abhörsichere Kommunikation ist eines der weltweit viel diskutierten Themen. Mit Hilfe neuartiger Quantentechnologien könnte die Sicherheit zukünftig erhöht werden. Dieser Thematik hat sich ein Forschungsteam um Dr. Tobias Vogl von der Friedrich-Schiller-Universität Jena angenommen. Sein Projekt „QuVeKS – Quantenprozessoren für verschlüsselte Kommunikation mit Satelliten“ hat das Team beim diesjährigen Wettbewerb der Initiative „INNOspace“ des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) eingereicht und damit den mit 400.000 Euro dotierten „INNOspace Masters Award“ der „DLR Challenge“ gewonnen.

Quantenarchitektur auf einem Chip

Quantentechnologien bieten ein großes Potenzial und sind damit eine vielversprechende Zukunftsvision. „Die bisher erforschten Quantensysteme sind sehr anwendungsspezifisch. Sie lassen sich oft nicht vernetzen und sind nicht kompatibel“, merkt Tobias Vogl vom Institut für Angewandte Physik der Universität Jena über den aktuellen Entwicklungsstand an. Der Physiker befasst sich deshalb seit Beginn seiner Dissertation 2016 mit der Anwendung von Quantentechnologien. Nun hat das Forschungsteam einen entscheidenden Fortschritt gemacht. Gemeinsam mit dem CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH in Erfurt erarbeiten die Forschenden aus Jena einen universell einsetzbaren Quantenschaltkreis. Ihr Ziel ist es, die komplette Architektur der Quantenlogik – bestehend aus Quantenlichtquellen, Wellenleitertechnologie und Quantendetektoren – auf einem kompakten Chip zu vereinen.

Großes Zukunftspotenzial und vielfältige Einsatzmöglichkeiten

Mit dem großen Zukunftspotenzial ihres Projektes konnten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der „DLR Challenge“ überzeugen. Der Chip lässt sich frei programmieren und kann dadurch für verschiedenste Anwendungen eingesetzt werden. „Ein solcher Quantenschaltkreis kann etwa in der Quantenkryptografie verwendet werden und damit die Verschlüsselung von Kommunikation sicherer und besser machen“, erläutert Vogl. Denn Quantenzustände können weder kopiert noch exakt ausgelesen werden, ergänzt sein Kollege Dr. Falk Eilenberger. „Ein solcher Quantenschaltkreis könnte zukünftig für die verschlüsselte Kommunikation von und mit Satelliten eingesetzt werden“, veranschaulicht Tobias Vogl und betont die erhöhte Leistungsfähigkeit, die ein Quantenschaltkreis mit sich bringt. Der Chip kann auch als physikalisch sicherer Zufallsgenerator genutzt werden, nennt der Jenaer Physiker ein weiteres potenzielles Einsatzgebiet.

Zum Projektteam gehören neben Dr. Tobias Vogl auch Kim Lammers, Dr. Falk Eilenberger und Prof. Dr. Stefan Nolte vom Institut für Angewandte Physik der Friedrich-Schiller-Universität und dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF. Ergänzt wird das Team durch Dr. Martin Jahn und Dr. Christian Möller vom CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik GmbH.

Das Preisgeld in Höhe von 400.000 Euro wird das Forschungsteam in die weitere Entwicklung ihres Vorhabens fließen lassen. Neben den laufenden Kosten für die Forschung sollen zudem Stellen für Doktorandinnen und Doktoranden geschaffen werden. Die Auszeichnung bestätigt auch die kürzlich getroffene Entscheidung, den „Quantum Hub Thüringen“ zu gründen, um den Standort zu einem wichtigen Zentrum der Quantenforschung und –industrie zu entwickeln. „Die gute Vernetzung innerhalb Thüringens hat maßgeblich zum Erfolg des Projektes beigetragen“, so Vogl.

Über den INNOspace Masters Award

Der INNOspace Masters Award wird jährlich von der Initiative INNOspace des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) vergeben. Der Preis zeichnet innovative Ideen und Konzepte aus, die Technologien, Prozesse und Anwendungen verbessern, basierend auf Wissens- und Technologietransfer durch den Austausch von Wissen zwischen der Raumfahrt und anderen Bereichen.
In diesem Jahr wurden Themen der digitalen Nachhaltigkeit und der Sicherheit im All (etwa sichere Kommunikationsservices, Schutz vor Cyber-Attacken) sowie ressourcensparende Ansätze im All und auf der Erde gesucht.

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• Quantenkommunikation im Weltraum?

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