Satelliten für die Quantenkommunikation

Tobias Vogl untersucht in einem Versuchsaufbau Einzelphotonenquellen in 2D-Materialien.
(c) Jens Meyer / Universität Jena

Quantenkryptographie über weite Distanzen.

Durch die immer weiter fortschreitende Entwicklung von Quantencomputern und deren steigenden Rechenleistungen wird es zukünftig möglich sein, unsere aktuellen Verschlüsselungsverfahren zu knacken. Forschende der Technischen Universität München (TUM) entwickeln in einem internationalen Forschungsverbund Methoden für die Verschlüsselung, die auf physikalischen Gesetzen beruhen und dadurch Abhörversuche unmöglich machen. Um die Kommunikation auch auf weite Distanzen zu garantieren, sollen im Rahmen der QUICK³-Mission Satelliten zum Einsatz kommen.

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 physikalische 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 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.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Tobias Vogl
Technische Universität München
Professor für Quantum Communication System Engineering
tobias.vogl@tum.de
www.tum.de

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). https://doi.org/10.1002/qute.202300343

Weitere Informationen:

https://www.tum.de/aktuelles/alle-meldungen/pressemitteilungen/details/satellite…

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