Quantenkommunikation zwischen Labor und Anwendung | Über Fortschritte beim Quantenschlüsselaustausch

[NW]: Wir beschäftigen uns maßgeblich mit optischer Freistrahlkommunikation und Quantenkommunikation, insbesondere im Bereich des Quantenschlüsselaustauschs.

Ich leite hier eine der Forschungsgruppen und bin zudem als Leiter in verschiedenen Projekten tätig, die sich mit der Entwicklung und dem Einsatz von Quantenschlüsselaustauschsystemen beschäftigen. Dabei geht es sowohl um neue technologische Ansätze als auch darum, diese Systeme gemeinsam mit Partnern in realen Anwendungen zu testen und weiterzuentwickeln.

[SR]: Ich bin vor allem im Bereich Software und Systemimplementierung aktiv. Ein Schwerpunkt meiner Arbeit ist die Entwicklung von Algorithmen für unsere Quantum Key Distribution-Systeme (QKD). Unter anderem habe ich ein Verfahren mitentwickelt, das die zeitliche Synchronisation von Sender und Empfänger ohne zusätzlichen Synchronisationskanal ermöglicht, indem das Uhrensignal auf der Empfängerseite aus den zeitlich kodierten Qubits zurückgewonnen wird.

Aktuell bin ich außerdem stark in die praktische Erprobung eingebunden. Das heißt, ich teste unsere Systeme im Feld, setze sie in unterschiedlichen Umgebungen ein und evaluiere ihre Leistungsfähigkeit.

[NW]: Ganz allgemein geht es in der Quantenkommunikation darum, die Gesetze der Quantenphysik zu nutzen, um neue Funktionalitäten in der Informationsübertragung zu ermöglichen. Konkret beschäftigen wir uns dabei mit dem Quantenschlüsselaustausch (QKD), bei dem es um die sichere Erzeugung und Übertragung kryptografischer Schlüssel geht. Ein Aspekt, der in der Daten- und Informationsübertragung zukünftig von großer Bedeutung sein wird.

[SR]: Der Hintergrund ist, dass klassische Verschlüsselungsverfahren auf mathematischen Problemen basieren, die mit heutigen Computern nur schwer zu lösen sind. Mit der Weiterentwicklung von Quantencomputern könnte sich das jedoch ändern. Deshalb braucht es neue Ansätze, die nicht auf Rechenaufwand beruhen, sondern auf physikalischen Prinzipien.

[SR]: Zunächst ist wichtig zu verstehen, dass QKD kein Verschlüsselungsverfahren im engeren Sinne ersetzt. Die eigentliche Verschlüsselung erfolgt weiterhin mit etablierten kryptografischen Methoden. QKD kümmert sich vielmehr um einen vorgelagerten Schritt, nämlich die sichere Erzeugung und Verteilung der dafür benötigten Schlüssel. Da Quantenkommunikation auf physikalischen Prinzipien beruht, bedeutet dies, dass sich Quantenzustände (zum Beispiel einzelne Photonen, die Information tragen) nicht messen lassen, ohne sie dabei zu verändern. Versucht also ein Angreifer, diese Photonen während der Übertragung auszulesen, hinterlässt er zwangsläufig Spuren im System. Diese Veränderungen können beim Austausch der Schlüssel erkannt werden, sodass Sender und Empfänger feststellen, ob die Kommunikation abgehört wurde. Genau das ermöglicht ein neues Sicherheitsniveau.

[NW]: Zusammengefasst bedeutet das: Anstatt sich auf mathematische Annahmen zu verlassen, basiert der Schlüsselaustausch auf fundamentalen physikalischen Gesetzen. Nach unserem heutigen Verständnis gelten diese auch langfristig und unabhängig von zukünftigen technologischen Entwicklungen, etwa durch Quantencomputer. Und Langzeitsicherheit ist natürlich unser erklärtes Ziel. Wir wollen sicherstellen, dass sensible Daten nicht nur heute, sondern auch in vielen Jahren noch geschützt sind.

[SR]: Grundsätzlich greifen wir in vielen Bereichen auf Technologien zurück, die auch in der klassischen optischen Kommunikation verwendet werden. So z. B. auf Glasfaser oder auch auf Freistrahlverbindungen, bei denen Daten über eine optische Strecke durch die Luft übertragen werden.

Entscheidend sind jedoch zusätzliche Komponenten, die speziell für quantenphysikalische Anwendungen benötigt werden. Dazu zählen insbesondere Einzelphotonendetektoren und -quellen sowie sehr präzise und schnelle Laser. Diese Bauteile ermöglichen es, Information tatsächlich auf der Ebene einzelner Lichtteilchen zu erzeugen, zu übertragen und auszuwerten – und damit die quantenmechanischen Effekte überhaupt erst technisch nutzbar zu machen.

[NW]: Ein Schwerpunkt unserer Arbeit liegt darin, Quantenkommunikation aus dem Labor in die Praxis zu überführen und die Systeme gemeinsam mit unseren Partnern aus der Industrie zu einer höheren Anwendungsreife zu bringen sowie unter realen Bedingungen zu testen. Dabei ist die Zusammenarbeit mit Integratoren ein entscheidender Bestandteil. Durch den Austausch können wir Anforderungen frühzeitig verstehen und direkt in die Systementwicklung einfließen lassen. So stellen wir sicher, dass sich unsere Lösungen möglichst nahtlos in bestehende Infrastrukturen einfügen.

[NW]: Die klare Ausrichtung auf praktische Anwendbarkeit. Während in der Forschung häufig Aspekte wie maximale Übertragungsdistanzen oder Datenraten im Vordergrund stehen, beobachten wir in der Zusammenarbeit mit Anwender:innen, dass andere Faktoren oft entscheidender sind. Etwa die schon erwähnte einfache Integration in bestehende Netzwerke oder die zuverlässige Nutzung im Betrieb.

[SR]: Wir beschäftigen uns beispielsweise damit, wie sich klassische Datenübertragung und Quantenkommunikation gemeinsam über dieselbe Infrastruktur realisieren lassen, etwa durch Wellenlängenmultiplexing, bei dem mehrere optische Kanäle parallel über eine Faser übertragen werden. Darüber hinaus betrachten wir auch alternative Übertragungswege, insbesondere die Freistrahlkommunikation, bei der Quantensignale nicht über Glasfaser, sondern über optische Freiraumstrecken durch die Luft übertragen werden. Das ist insbesondere für flexible oder schwer zugängliche Verbindungen relevant.

In diesem Bereich haben wir bereits verschiedene Experimente durchgeführt, unter anderem zur stabilen Synchronisation ohne zusätzlichen Referenzkanal. Dieses sogenannte referenzkanal- bzw. uhrenkanalfreie Synchronisationsverfahren trägt dazu bei, Systeme robuster und einfacher im Feld einsetzbar zu machen.

Langfristig eröffnet diese Arbeit Perspektiven für Anwendungen über sehr große Distanzen, die ein wichtiger Baustein zukünftiger Quantenkommunikationsnetzwerke sein könnten. Dazu gehört auch die Anbindung von Satellitenplattformen, um Quantenkommunikation über sehr große Entfernungen hinweg zu ermöglichen.

[SR]: In den vergangenen Jahren haben wir mehrere große Experimente durchgeführt. Bei dem in Jena konnte unser System über einen Freistrahl-Optiklink über einen längeren Zeitraum sein stabiles Verhalten und seine Funktionsweise demonstrieren.

In Berlin haben wir gemeinsam mit Partnern wie dem Max-Planck-Institut, dem Fraunhofer IOF, der Bundesdruckerei und der Telekom ein Quantenkommunikationsnetzwerk aufgebaut. Dabei konnten wir zeigen, dass Quantenkommunikation bereits heute eine reife Technologie ist, etwa für Anwendungen wie die sichere Übertragung und Ausstellung verschlüsselter Behördendokumente.

[NW]: Besonders wichtig war dabei die Erkenntnis, dass sich unsere Systeme in ihrer Funktionalität bereits sehr nah an klassischen Transceiver-Modulen der optischen Kommunikation bewegen. Sie lassen sich vergleichsweise einfach installieren und zuverlässig betreiben. Ist ein System einmal integriert, läuft es stabil weiter, auch wenn einzelne Verbindungen getrennt oder Netzpfade verändert werden. Die Systeme können flexibel über verschiedene Faserstrecken geroutet werden und bleiben dabei funktionsfähig. Diese Eigenschaften sind zentrale Alleinstellungsmerkmale, die wir in den vergangenen Jahren gezielt entwickelt haben, mit dem Ziel, den Aufwand für Endanwender:innen so gering wie möglich zu halten.

[SR]: Diese Systemeigenschaften konnten wir zudem in diesem Jahr eindrucksvoll in einem weiteren Experiment in München testen. Dabei wurde unser Sendermodul in ein Flugzeug der Deutschen Luft- und Raumfahrt integriert und ein optischer Link zu einer Bodenstation am Max-Planck-Institut in Erlangen aufgebaut. Auch unter diesen sehr dynamischen und instabilen Bedingungen konnte sich das System zuverlässig synchronisieren und das Quantensignal schnell wieder stabilisieren/zurückgewinnen.

Ein wichtiger Aspekt dabei ist, dass keine separate Clock-Übertragung mehr notwendig ist. Das System kann sich zeitlich selbst synchronisieren, was die Robustheit im praktischen Einsatz deutlich erhöht.

[NW]: Durch die enge Verzahnung und Vernetzung mit anderen Kolleg:innen haben wir die Möglichkeit, gemeinsam Komponenten wie Einzelphotonendetektoren oder integrierte photonische Schaltkreise zu entwickeln und direkt in unseren Systemen zu testen.

Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass sich durch diese integrierten photonischen Plattformen neue Designs schnell iterieren und experimentell erproben lassen. So können wir neue Ansätze kurzfristig validieren und perspektivisch in unsere Gesamtsysteme überführen. Dadurch wird es möglich, die heute noch vergleichsweise komplexen und voluminösen optischen Aufbauten deutlich zu miniaturisieren, mit dem langfristigen Ziel, kompakte, modular einsetzbare Systeme zu entwickeln, etwa in Form von steckbaren Einheiten.

[SR]: Aus gesellschaftlicher Sicht ist meine Vision, dass Quantenkommunikation und insbesondere QKD noch stärker als relevante Schlüsseltechnologien wahrgenommen werden.

Technologisch wird es zukünftig vor allem darum gehen, einzelne Komponenten wie Detektoren und Quellen weiterzuentwickeln und gleichzeitig an Themen wie Standardisierung sowie Zertifizierung zu arbeiten. Außerdem müssen die aktuell noch vergleichsweise großen Systeme weiter miniaturisiert werden.

[NW]: Ich sehe die Entwicklung ähnlich. Aktuell existieren bereits viele Testsysteme und Demonstratoren, die sich in den kommenden Jahren weiter zu einem europäischen Quantenkommunikationsnetz entwickeln könnten. Langfristig könnte daraus ein Quanteninformationsnetzwerk entstehen, das nicht nur sichere Kommunikation ermöglicht, sondern auch andere Anwendungen integriert.

Ich halte es für realistisch, dass sich die Entwicklung innerhalb der nächsten zehn Jahre deutlich in diese Richtung bewegt.

[SR]: Mich motiviert vor allem die große Abwechslung in meiner täglichen Arbeit. Jeden Tag stehen unterschiedliche Aufgaben an – von Softwareentwicklung und Implementierung bis hin zu praktischen Tests unserer Systeme. Hinzu kommt die Arbeit in einem Team, das gemeinsam Technologien entwickelt, die gesellschaftlich relevant sind, etwa im Bereich sicherer Kommunikation. Besonders spannend ist für mich, dass dieses Feld noch stark in der Entwicklung ist und dadurch viele Gestaltungsspielräume bietet.

[NW]: Für mich ist es vor allem die Verbindung aus sehr grundlegenden Fragestellungen der Quantenphysik und konkreten Anwendungen in der Kommunikationstechnik. Diese Verbindung finde ich auch nach vielen Jahren Forschung weiterhin sehr spannend.

Gleichzeitig ist unser Arbeitsbereich sehr vielfältig. Im Umfeld des Fraunhofer HHI kommen sehr unterschiedliche Kompetenzen zusammen, die in komplexen Systemen integriert werden müssen. Genau diese interdisziplinäre Zusammenarbeit führt dazu, dass immer wieder neue Lösungen entstehen, und das macht die Arbeit besonders interessant.

Wer sich also für Technologie interessiert, findet in der Quantenkommunikation ein sehr spannendes Feld. Es gibt bei uns viele Möglichkeiten, sich einzubringen und an der Weiterentwicklung dieser Technologie mitzuwirken. Interessierte sind daher ausdrücklich eingeladen, sich mit dem Thema zu beschäftigen und in diesem Bereich weiter zu forschen.