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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Quelle: DLR.

29. Juli 2021 – Beim sechsten INNOspace-Masters-Wettbewerb suchte die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR nach innovativen Lösungsvorschlägen, um die uneingeschränkte und zuverlässige Verfügbarkeit von satellitengestützten Infrastrukturen im digitalen Zeitalter sicherzustellen. Insgesamt 330 Teilnehmende aus Unternehmen, Start-ups, Universitäten und Forschungseinrichtungen in 23 europäischen Ländern haben an dem Wettbewerb unter dem Motto „Innovationen für nachhaltige Infrastrukturen im Weltraum und auf der Erde“ teilgenommen. Dabei standen ihnen fünf Wettbewerbskategorien aus verschiedenen Entwicklungs- und Innovationsphasen zur Auswahl. Bei der INNOspace Masters Konferenz, die am 29. Juli 2021 virtuell stattfand, wurden nun die Gewinner verkündet. „Initiativen wie der INNOspace Masters sind wichtig, da Innovationen hauptsächlich im Wettbewerb entstehen. Entweder durch Wettbewerb im Markt oder durch initiierte Innovationswettbewerbe wie den INNOspace Masters“, erläutert Thomas Jarzombek (MdB), Koordinator der Bundesregierung für Luft- und Raumfahrt und einer der Hauptredner auf der Veranstaltung. „Insbesondere in Umbruchphasen, wie sie die Raumfahrt aktuell erlebt, ist die Innovationsförderung von besonderer Bedeutung.“

In der zurückliegenden sechsten Runde des INNOspace Masters Wettbewerbs stammten annähernd 80 Prozent der Einreichungen aus raumfahrtfremden Branchen. „Dies zeigt das hohe Potential auch für die Raumfahrt, vom Know-how und technischen Innovationen anderer Branchen zu profitieren. Gleichzeitig lassen sich mit Forschungsergebnissen und technischen Entwicklungen aus der Raumfahrt aktuelle Herausforderungen anderer Branchen lösen“, erklärt Dr. Walther Pelzer, Vorstandsmitglied des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR) und Leiter der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR mit Sitz in Bonn. „Gemeinsam bieten wir den Wettbewerbsteilnehmern attraktive Förderungen oder Kooperationsmöglichkeiten, von der Grundlagenforschung über die Anlaufphase bis hin zur Integration und Markteinführung.“

Sensorik zur Strommessung aus Raumfahrtmission Rosetta gewinnt INNOspace Masters

40 Fachexpertinnen und -experten hatten in einem mehrstufigen Verfahren die Einreichungen geprüft und 15 Vorschläge in die Endrunde des Innovationswettbewerbs gewählt. Nun stehen die Preisträger des Wettbewerbs fest. Gewinner der ESA BIC Challenge und der Gesamtgewinner des Wettbewerbs ist die PhySens GmbH aus Braunschweig. Mit der Digitalisierung und der Energiewende wächst die Bedeutung von Messtechnik als Grundlage für die digitale Anlagenüberwachung und Prozessoptimierung. Bestehende Systeme, basierend auf Stromüberwachung, sind verbunden mit einem großen Installationsaufwand und fehlender Flexibilität. Basierend auf Raumfahrttechnologien der ESA-Rosetta-Mission hat die PhySens GmbH eine berührungslose, nicht invasive und einfach nachrüstbare Sensorik zur Strommessung entwickelt. Diese intelligente Messtechnik bietet ein großes Potenzial für Industrie-4.0-Anwendungen und für zukünftige, bemannte Raumfahrtanwendungen.

QuVeKS – Quantenprozessoren für verschlüsselte Kommunikation mit Satelliten

Gewinner der Challenge der Deutschen Raumfahrtagentur im DLR ist QuVeKS. Neuartige Quantentechnologien des 21. Jahrhunderts versprechen abhörsichere Kommunikation, exponentiell höhere Rechenleistungen, sowie kompaktere und genauere Sensoren. Die bisher erforschten Quantensysteme sind allerdings sehr anwendungsspezifisch und häufig nicht miteinander kompatibel oder vernetzbar. Mit dem QuVeKS-Projekt wird an der Friedrich-Schiller-Universität Jena und dem CiS Forschungsinstitut für Mikrosensorik ein universell einsetzbarer Quantenprozessor entwickelt. Dieser vereint die komplette Architektur von der Quantenlichtquelle bis zu den Detektoren zu einem kompakten Schaltkreis. Der Prozessor lässt sich ähnlich wie ein Computerchip frei programmieren und ist somit für verschiedenste Anwendungen geeignet. Außerdem können die Datenraten verglichen mit herkömmlichen Lasersystemen stark gesteigert werden. Ein Fokus liegt auf der Absicherung der Kommunikation mit Satelliten.

DigiFarm – genaueste Erfassung von Feldgrenzen für die Präzisionslandwirtschaft

Die Grundlage für sämtliche Lösungen der Präzisionslandwirtschaft, in der landwirtschaftliche Flächen vollautomatisch maschinell bewirtschaftet werden, sind genaue Daten zu Feldgrenzen und Ackerflächen. DigiFarm, der Gewinner der AIRBUS Challenge, hat in den letzten zwei Jahren einen hochauflösenden Algorithmus für Bilder der beiden Sentinel-2 Satelliten des europäischen Erdbeobachtungsprogramms Copernicus entwickelt und so die Bildauflösung um das Zehnfache – von zehn Metern auf einen Meter – vergrößert. Darüber hinaus hat die Firma ein Modell für eine Künstliche Intelligenz zur automatischen Erfassung von Feldgrenzen in großem Umfang geschaffen. DigiFarm hat weltweit Feldgrenzen von bereits über 15 Millionen Hektar bestimmt und erreicht dabei eine um bis zu 20 Prozent höhere Genauigkeit als die bisherigen Katasterkarten.

DEBRIS – Bedarfsgerechte Entsorgung von Weltraummüll

Die ständig wachsende Menge an Weltraumschrott gefährdet die Weltraum-Infrastruktur und damit systemrelevante Dienstleistungen für Kunden auf der ganzen Welt. Dieses Problem soll DEBRIS, der Gewinner der OHB Challenge, angehen. DEBRIS ist ein Kleinsatellit zur aktiven Trümmerbeseitigung. Er hängt sich an Zielobjekte an und verwendet anschließend ein Schleppsegel und einen Befestigungsmechanismus, den so genannten Tether, um Schrott aus dem Orbit zu entfernen. Aus wirtschaftlicher Sicht macht DEBRIS die aktive Beseitigung von Weltraummüll profitabel. Die wichtigsten kostensenkenden Merkmale sind das Rideshare optimierte Design, bei dem mehrere Nutzlasten zusammen gestartet werden können, kommerziell erhältliche Bauteile, sowie niedrige Entwicklungs- und Betriebskosten.

PhySens GmbH – Magnetische Infrastrukturüberwachung

Die digitale Überwachung von Bahninfrastruktur ist Grundlage für den Zugverkehr von morgen. Bestehende Überwachungssysteme basieren auf mechanischen oder indirekten Messprinzipien. Diese geben jedoch keine direkte Information über die reale Position oder Bewegung der Infrastrukturkomponenten und können somit zu Fehlmeldungen führen. Dann müssen Teilstrecken bis zur technischen Überprüfung gesperrt werden, was zu Verspätungen führt. Das neuartige System der PhySens GmbH, welche die DB Netz AG Challenge gewonnen hat, ermöglicht die drahtlose und direkte Überwachung von Bahninfrastruktur. Das System basiert auf Magnetfeldmessungen. Mithilfe eines einheitlichen, einfach anzubringenden Sensors können Zustandsdaten für Weichen, Bahnübergänge oder Signale gesammelt und cloudbasiert ausgewertet werden. So können Verspätungen reduziert, Instandhaltungskosten gesenkt und die Lebensdauer der Infrastruktur verlängert werden.

Die weiteren Platzierungen finden Sie auf der INNOspace Masters Homepage.

Über den Ideenwettbewerb INNOspace Masters

Veranstalter des INNOspace Masters ist die Deutsche Raumfahrtagentur im DLR im Auftrag des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi). Der Wettbewerb ist Teil der Initiative INNOspace, die seit 2013 Innovationen und Technologietransfers zwischen Raumfahrt und raumfahrtfremden Industriezweigen fördert. Partner des Wettbewerbs sind die ESA Business Incubation Centres (BIC) Bavaria & Northern Germany und ESA BIC Hessen & Baden-Württemberg sowie die Industriepartner Airbus, OHB und DB Netz AG. Organisiert wird der INNOspace Masters von der AZO Anwendungszentrum GmbH Oberpfaffenhofen.

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