Es ist nicht einfach, einzelne Photonen von einem Flugzeug aus gezielt auf den Weg zu bringen, in einer Bodenstation einzufangen und auch zu erkennen. Forschenden ist das jetzt gelungen: Sie haben sogar mehrfach verschiedene Quantenkanäle zwischen einem Flugzeug und einer Bodenstation vermessen, Photonen an eine Ionenfalle geschickt und Technologien zur Quantenschlüsselverteilung getestet. Das Flugexperiment fand im Rahmen der QuNET-Initiative statt, die Technologien zur quantengesicherten Kommunikation entwickelt. Mit Photonen, also Lichtteilchen, können quantenkryptographische Schlüssel erzeugt werden, die die Kommunikation der Zukunft praktisch abhörsicher machen. Die Technologien sind außerdem wegweisend für ein zukünftiges Quanteninternet, das Quantencomputer miteinander verbindet.

MPL und FAU: Quantenkommunikation im Fokus

In der Quantenkommunikation untersucht man die Anbindung von Quantenknoten in speziellen Netzwerken mittels geeigneter Verfahren, sogenannter Quantenkommunikationsprotokolle. Die Weiterentwicklung von Quantenkommunikationsprotokollen und deren Implementation unter realistischen Bedingungen stellt seit Jahren einen Forschungsschwerpunkt in der Gruppe von Prof. Christoph Marquardt am MPL dar. Für die QuNET-Flugkampagne brachte sich die Gruppe mit zwei Experimenten zur Quantenkommunikation ein:

Ein Teil der Experimente an Bord umfasst einen Aufbau zur Charakterisierung der Kanaleigenschaften für die Quantenschlüsselverteilung mit kontinuierlichen Variablen. Hierbei wird die Quanteninformation in Anlehnung an Verfahren der klassischen optischen Kommunikationstechnik kodiert und vermessen.

Das zweite Experiment beschäftigt sich mit der Erzeugung von Quantenlicht, das vom Flugzeug an die Ionenfalle der Emeritusgruppe von Prof. Gerd Leuchs am Boden gekoppelt wird. Das Quantenlicht soll dort mit einem einzelnen gefangenen Ion interagiere. Hierfür befindet sich an Bord des Flugzeugs eine in Erlangen entwickelte Quantenquelle, die aufgrund ihrer Bauart mit den optischen Anforderungen des einzelnen Ions und den Einsatz in einem Flugzeug geeignet ist. „Eine derartige Kopplung von Quantenlicht an einzelne atomare Systeme ist notwendig, wenn in der Zukunft die Knoten von weitreichenden Quantennetzwerken miteinander verbunden werden sollen“, erläutert Thomas Dirmeier, Projektleiter am MPL.

An dem Experiment waren Wissenschaftler*innen aus dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), dem Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL), der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen (FAU) sowie aus den Fraunhofer Instituten für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) und Heinrich Hertz Institut (HHI) beteiligt. Die Ergebnisse wurden nun dem Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) vorgestellt, das die QuNET-Initiative fördert. Die Quantenschlüsselverteilung ist für die Kommunikation von Regierungen und Behörden besonders wichtig, aber auch generell, um künftig Infrastruktur und Daten des täglichen Lebens zu schützen.

„Wir arbeiten an praxistauglichen Lösungen für die satellitenbasierte Quantenkommunikation, mit der Quantenzustände über große Distanzen übertragen und sichere Schlüssel erzeugt werden können. In der Glasfaser ist dies nur über wenige 100 Kilometer möglich. Die Quantenverschlüsselung via Satellit hingegen ermöglicht beliebig größere Distanzen auf der Erde“, erklärt Florian Moll vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation die zukünftige Technologie. Um lange Strecken zu überwinden, sollen Satelliten, Flugzeuge oder andere mobile Plattformen künftig ein Teil von Quantennetzen werden.

Geflogen wurde beim aktuellen Experiment mit einem DLR-Forschungsflugzeug der Einrichtung Flugexperimente. Die Wissenschaftler*innen haben ein optisches Kommunikationsterminal in die Dornier 228 eingebaut. Das Flugzeug bildete einen mobilen Knoten in einem Quantennetz und stellte eine Verbindung zu einer optischen Empfangsstation am Boden her. Diese Bodenstation ist ein mobiler Container mit integriertem Empfangsterminal, der sogenannte QuBUS, bereitgestellt vom Fraunhofer IOF aus Jena.

Technisch hochkomplex 

Einzelne Photonen sind schwierig zu handhaben: Für die Quantenkommunikation müssen sie mit hoher Qualität erzeugt werden und auch unter starken äußeren Störeinflüssen klar detektiert werden. Für bestmögliche Ergebnisse muss außerdem die Wellenlänge der Photonen präzise eingestellt werden. »Wir haben in den verschiedenen Versuchen gezeigt, dass das möglich ist. Die Vorgehensweise, die wir getestet haben, ist nicht nur von Flugzeugen aus möglich, sondern auch von Satelliten«, ergänzt Florian Moll.

Die Zustände der “fliegenden” Teilchen konnten in Messungen an der Ionenfalle des MPL erfolgreich nachgewiesen werden – was ein Ziel des Experiments war. Diese Kommunikationstechnologie kann zum Beispiel auch für die Anbindung von Quantenspeichern oder Quantencomputern in einem zukünftigen Quantennetz verwendet werden.

Sichere Kommunikation für die Zukunft

Im Flugzeug und in der Bodenstation in Erlangen waren Systeme zur Durchführung von Experimenten zur Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) angeschlossen. Diese sind wegweisend für satellitenbasierte Quantenkommunikation: So wurde ein System zur uhrenkanalfreien Quantenschlüsselverteilung getestet. Außerdem haben die Forschenden Photonen aus einer Verschränkungsquelle am Boden detektiert. Kanalmessungen und Komponententest für QKD-Systeme mit neuartigen und flexibel konfigurierbaren Protokollen lieferten zudem wichtige Erkenntnisse für die weiteren Entwicklungen zur sicheren Kommunikation der Zukunft. 

Über die QuNET Initiative

QuNET (Quantum Network) ist eine vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) geförderte Pilotinitiative zur Erforschung hochsicherer Kommunikationssysteme basierend auf Quantenkommunikationstechnologien. QuNET startete im Herbst 2019 und wurde für eine Dauer von sieben Jahren geplant. Das BMFTR fördert QuNET mit 125 Millionen Euro. Beteiligt sind neben dem DLR-lnstitut für Kommunikation und Navigation auch das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut (HHI), das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL), sowie die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU).

QuNET will Grundlagen für sichere und robuste IT-Netze schaffen, die bereits heute gegen Cyberangriffe von morgen gewappnet sind. Die Sicherheit von IT-Kommunikationsnetzen beruht aktuell vor allem auf mathematischen Annahmen. Diese bieten gegen Zukunftstechnologien, wie zum Beispiel leistungsfähige Quantencomputer, keinen ausreichenden Schutz mehr.

Wissenschaftlicher Kontakt

Prof. Christoph Marquardt
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen
Forschungsgruppenleiter ›Quanteninformationsverarbeitung‹
www.mpl.mpg.de / christoph.marquardt@mpl.mpg.de