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Forschungsverbund QR.N bringt Partner aus Wissenschaft und Wirtschaft zusammen für abhörsichere Quantenkommunikation
Das Fachgebiet „Optoelektronik und Quantenbauelemente“ der TU Berlin unter Leitung von Prof. Dr. Stephan Reitzenstein ist Mitglied im neuen Forschungsverbund QR.N, in dem sich 42 Partner aus deutschen Universitäten, Forschungseinrichtungen und Industrie zusammengetan, um Quantenrepeater zu entwickeln – ein Kernelement der quantensicheren Telekommunikation von morgen. Die Gesamtfördersumme des Bundesforschungsministeriums dafür beträgt knapp 20 Millionen Euro bis Ende 2027, auf die TU Berlin entfallen dabei 500.000 Euro. Die Forschungen werden Teil des neuen Centers for Integrated Photonics Research (CIPHOR) an der TU Berlin werden.
Enorme Fortschritte auf dem Gebiet der Quantentechnologie machen eine neue Art von Superrechnern möglich, die in Zukunft mächtiger sein könnten als jeder herkömmliche Computer. Diese enorme Rechenkraft bringt aber auch eine ernste Bedrohung für bisher gebräuchliche Methoden der Datensicherheit mit sich. Denn theoretisch können Quantencomputer die heute übliche Form der Verschlüsselung (bekannt als RSA-Verfahren) knacken. Glücklicherweise bietet die Quantenphysik auch eine Lösung für das Problem: in Form der sogenannten Quantenschlüsselverteilung.
Abhörsichere Schlüssel-Übertragung
Der Gedanke dabei: Sender und Empfänger tauschen das Passwort für ihre Nachrichten – den kryptografischen Schlüssel – mithilfe von Lichtteilchen aus. Jedes weist dabei ein bestimmtes Muster auf. Der Trick: Die Lichtteilchen werden als sogenannte verschränkte Paare erzeugt, deren Muster miteinander zusammenhängen. Beide Teilchen des Paares werden über eine Glasfaserleitung an die zwei Teilnehmer verschickt. Wenn sich nach der Übertragung Sender und Empfänger über eine normale (Telefon-)Leitung über ihre Messergebnisse an den Lichtteilchen austauschen, würde ein Abhörversuch auffallen. Denn um an den Schlüssel zu kommen, müsste ein Angreifer die Lichtteilchen während der Übertragung messen – ein Eingriff, der sich nicht verbergen ließe, weil er das Muster der Lichtteilchen verändert und damit verlässlich entdeckt werden kann.
Lichtimpulse über große Distanzen müssen verstärkt werden
So sicher dieses Prinzip theoretisch ist: In der Praxis leidet es darunter, dass Lichtimpulse, die über weite Distanzen durch Glasfaserleitungen reisen, schwächer werden. Deshalb muss das Signal immer wieder verstärkt werden, genau wie bei der herkömmlichen Datenübertragung. „In jedem Unterseekabel bereiten Verstärker das Signal wieder auf, etwa alle 50 bis 100 Kilometer neu“, erklärt Stephan Reitzenstein. „So etwas Ähnliches braucht man in der Quantenkommunikation auch.“
Quanten-Repeater bauen eine Verschränkungskette auf
Die Herausforderung dabei: Jeder direkte Eingriff würde das Signal verfälschen, wäre also von einem Lauschangriff nicht zu unterscheiden. Die Lösung liegt darin, an jedem Verstärker-Knotenpunkt (den sogenannten Quanten-Repeatern) Paare von verschränkten Lichtteilchen zu erzeugen. Die Teilchen benachbarter Stationen werden dann miteinander verschränkt, wodurch sich eine ganze „Verschränkungskette“ zwischen den beiden Enden einer Übertragungsstrecke aufbaut. Dieses Prinzip alltagstauglich umzusetzen ist Aufgabe des Verbundprojekts Quantenrepeater.Net (QR.N), das in diesem Jahr – dem internationalen Jahr der Quantenphysik – gestartet ist. Gefördert vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR), bringt es 36 universitäre Gruppen aus ganz Deutschland zusammen, die verschiedene Ansätze verfolgen, um Lichtteilchen auf atomarer Ebene verlässlich zu kontrollieren. Auch die Industrie und Forschungseinrichtungen wie das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut sind an dem Projekt beteiligt.
Hochpräzise Quellen für Lichtteilchen
Die Arbeit der TU Berlin konzentriert sich auf die Entwicklung von Halbleitersystemen, die eines Tages in Glasfasernetzwerke integriert werden sollen. „Unsere Aufgabe im QR.N-Projekt liegt darin, Quantenlichtquellen zu entwickeln, die verschränkte Paare von Lichtteilchen emittieren“, sagt Stephan Reitzenstein. „Dabei arbeiten wir zum Beispiel mit Kolleg*innen in Kassel, Paderborn, München, Würzburg, Stuttgart und Hannover zusammen.“ Gemeinsames Ziel der Forschenden ist es, die Übertragung der Lichtteilchen so präzise zu steuern, dass sie immer dieselbe Wellenlänge von nur 1,55 Mikrometern besitzen und in der richtigen Reihenfolge den Empfänger erreichen. „Die große Herausforderung liegt darin, dass jedes Lichtteilchen die absolut identische Wellenlänge haben muss, die alle anderen Quellen im System ebenfalls besitzen“, erklärt Prof. Reitzenstein. „Das ist extrem schwierig.“
Weltweit einzigartiges System zum Aufspüren von Quantenpunkten
Ein Grund dafür: Erzeugt werden die Lichtteilchen mithilfe von „Quantenpunkten“ – winzigen Halbleiter-Nanokristallen mit einer Ausdehnung von nur wenigen Nanometern. Damit sind sie etwa 10.000-mal kleiner als der Durchmesser eines menschlichen Haares. Dazu kommt, dass kein Quantenpunkt dem anderen gleicht. „Jeder ist ein Unikat“, betont Reitzenstein. Die Kristalle entstünden selbstorganisiert auf der Oberfläche eines Halbleiterchips „so ähnlich wie Wassertropfen auf einem frisch polierten Auto“ und weisen dadurch unterschiedliche Emissionseigenschaften auf. „Das muss man ausgleichen, indem man aus Millionen von Quantenpunkten diejenigen heraussucht, die eine ähnliche Wellenlänge besitzen“, erklärt der Physiker. Was seinem Team hilft, ist eine spezielle Herstellungstechnik an der TU Berlin, um solche nahen Verwandten mit Hilfe eines Lichtdetektors zu identifizieren und zielgerichtet in Quantenbauelemente zu integrieren. „Das System, das wir hier zur Auswahl nutzen, ist weltweit einzigartig“, sagt Reitzenstein.
Forschung wird in geplantes Photonik-Zentrum der TU Berlin ziehen
Die hochpräzisen Anlagen des Fachgebiets Optoelektronik und Quantenbauelemente werden Teil des neuen Photonik-Zentrums an der TU Berlin werden – „Photonen“ ist der wissenschaftliche Name für Lichtteilchen. Das „Center for Integrated Photonics Research“ (CIPHOR) als zentraler Bestandteil des neuen Experimentalphysik-Baus auf dem Ost-Campus geht nach dem Entscheid des Architekturwettbewerbs für den Entwurf des Büros Telluride nun in die Bauplanung.
Zusätzliche Informationen:
·Verbundprojekt Quantenrepeater.Net (QR.N), https://quantenrepeater.net/
·Fachgebietsleitung „Optoelektronik und Quantenbauelemente“ Prof. Dr. Stephan Reitzenstein, https://www.tu.berlin/go189163/
·Multicore-Faser Einzelphotonenemitter-Modul, https://www.tu.berlin/go214525/
·Quantenpunkte für photonische Quanteninformationstechnologien, https://www.tu.berlin/go189343/
·Center for Integrated Photonics Research (CIPHOR), https://www.tu.berlin/go289762/
·Skalierbare Architektur für Quantenlichtquellen in der Quantenkommunikation (SQALE), https://www.tu.berlin/go276541/
·Physik-Neubau der TU Berlin, https://www.tu.berlin/go277297/n81358/
Weitere Informationen erteilt Ihnen gern:
Prof. Dr. Stephan Reitzenstein
Fachgebiet „Optoelektronik und Quantenbauelemente“
Institut für Physik und Astronomie
Fakultät II Mathematik und Naturwissenschaften
Technische Universität Berlin
Tel.: +49 30 314-79704
E-Mail: stephan.reitzenstein@tu-berlin.de
Criteria of this press release:
Journalists
Physics / astronomy
transregional, national
Research projects
German
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