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: ECDF.

30. August 2021 – Diese neue Technologie ermöglicht potenziell eine um drei Größenordnungen schnellere Verschränkungsrate als die Quantenkommunikation per Satelliten ohne Quantenspeicher und kann darüber hinaus auch für die Überbrückung größerer Distanzen eingesetzt werden.

Die Studie legt nahe, dass Quantenspeicher (QS), (in denen Information gesichert werden) eingesetzt werden können, um die Nutzung hochsicherer Kommunikationstechnologie zu ermöglichen. Dies geschieht durch die Verbreitung der Quantenverschränkung, ein Phänomen, bei dem zwei Teilchen miteinander verbunden sind, auch über große Entfernungen hinweg.

QS sind eine Schlüsseltechnologie zur Realisierung sogenannter Quantenrepeater mit denen Quantenverschränkung effizient über weite Entfernungen erzeugt werden kann. Die Forschungsarbeiten des Gemeinschaftsprojekts haben gezeigt, dass mit QS ausgestattete Satelliten Verschränkungsraten liefern, die um drei Größenordnungen höher liegen als die von glasfaserbasierten Quantenrepeatern oder Weltraumsystemen ohne QS.

Die Studie wurde in der Zeitschrift npj Quantum Information veröffentlicht. Beteiligt waren auch die Technische Universität Berlin, das Institut für Optische Sensorsysteme des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR-OS) und das Jet Propulsion Laboratory (JPL) der NASA.

„Mit unserer Arbeit zeigen wir, dass die von uns vorgeschlagene Methode viel leistungsfähiger ist als die bisher diskutierten Verfahren der direkten Signalübertragung über Satelliten und wir identifizieren vielversprechende physikalische Systeme, mit denen sie umgesetzt werden kann. Quantenkommunikationsverbindungen werden die Grundlage des Quanteninternets bilden – dank Quantenrepeatern und weltraumgestützter Systeme ist die Technologie dann auch global einsetzbar“, erklärt Prof. Dr. Janik Wolters, ECDF-Professor für Physikalische Grundlagen der IT-Sicherheit am DLR-OS, die Forschungsergebnisse. Das ist ein entscheidender Vorteil gegenüber Glasfasern, die aufgrund der exponentiellen Signalverluste jenseits von einigen hundert Kilometern nicht realistisch einsetzbar sind. Diese Einschränkung wäre dank der neuen Technologie dann obsolet.

Konkret schlagen die Forscher*innen den Einsatz von Satelliten vor, die in einer erdnahen Umlaufbahn mit Quantenspeichern ausgestattet sind. Der Quantenspeicher konzentriert sich auf die Verteilung und Synchronisierung der Datenübertragung, die ansonsten zufällig stattfinden würde. „Dadurch erlaubt unser System atmosphärische Verluste in der optischen Signalübertragung besser auszugleichen und so die geheimen Schlüsselraten zu verbessern. Dies gilt übrigens nicht nur für Quantenkommunikation über Satelliten, sondern ganz allgemein für QKD-Protokolle“, so Wolters.

Über das Einstein Center Digital Future (ECDF)
Das ECDF ist ein interdisziplinäres Projekt der Charité – Universitätsmedizin Berlin, der Freien Universität Berlin, der Humboldt-Universität zu Berlin, der Technischen Universität Berlin und der Universität der Künste Berlin. Das Zentrum für Digitalisierungsforschung begreift sich als hochschulübergreifender Nukleus für die Erforschung und Förderung digitaler Strukturen in Wissenschaft, Wirtschaft und Gesellschaft. Das interdisziplinäre Projekt schafft am Standort Berlin mehr Verknüpfungen im Bereich der Digitalisierung, probiert neue Formen der Zusammenarbeit aus und konzentriert sich auf innovative interdisziplinäre Spitzenforschung. Das ECDF wurde im September 2016 von der Einstein Stiftung Berlin bewilligt.

Publikation:
M. Gündoğan, J. Sidhu, V. Henderson, L. Mazzarella, J. Wolters, D.K.L. Oi und M. Krutzik, Proposal for space-borne quantum memories for global quantum networking, npj Quantum Information 7, 128

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