Gegenstand der Fördermaßnahme ist die anwendungsorientierte Erforschung und Entwicklung von Technologien zum Aufbau lokaler Quantenkommunikationsnetze, sowie von Komponenten, die zur Vernetzung von Quantenelementen in einem Q-LAN eingesetzt werden können.
Als neuartige Sicherheitstechnologie bietet die Quantenkommunikation eine intrinsische – durch fundamentale physikalische Prozesse garantierte – Sicherheit bei der Übertragung kryptografischer Schlüssel. Durch diese lassen sich bestehende Kommunikationskanäle auch in Zukunft vor Abhörangriffen schützen. Quantenkommunikation bietet aber zusätzlich auch Möglichkeiten, Elemente anderer Quantentechnologien sicher miteinander zu vernetzen. Dazu gehören beispielsweise Quantensensoren, die immer präzisiere Messungen, unter anderem in der Medizin erlauben, oder Quantencomputer, die künftig viele Berechnungen in einem Bruchteil der heutigen Rechenzeit durchführen könnten. Auf Quantentechnologie basierende Zufallszahlengeneratoren in High-End-Smartphones erhöhen bereits heute die Sicherheit bei der Kommunikation und könnten künftig vermehrt als Sicherheitsbaustein in Netzen zum Einsatz kommen. Mit der steigenden Leistungsfähigkeit und Anwendungstauglichkeit von Quantentechnologien erhöht sich auch der Bedarf an einer sicheren Vernetzung von Quantenelementen und damit die Relevanz von Quantenkommunikationsnetzen.
Analog zum heutigen Internet müssen Quantenelemente perspektivisch sowohl weiträumig als auch in lokalen Netzen („Local Area Network“ – LAN) vernetzt sein. Die dabei verwendeten Übertragungstechnologien und Möglichkeiten für Einsatzszenarien unterscheiden sich jedoch zum Teil erheblich zwischen einem Quanten-LAN (Q-LAN) und der Quantenkommunikation über weite Strecken. Ursachen dafür finden sich schon bei den Fehlerquellen der Übertragung: In einem Q-LAN haben Fehler, die aufgrund von thermischen Schwankungen oder durch mechanische Vibrationen in Gebäuden oder von Fahrzeugen verursacht werden, eine höhere Relevanz wohingegen Transmissionsverluste in Glasfasern oder im Freiraum eine untergeordnete Rolle spielen. Zudem erfordert die Vernetzung von Quantengeräten, insbesondere von Quantencomputern, eine Fehlertoleranz wie sie bislang noch nicht erreicht wurde. Hier bestehen besondere Forschungsbedarfe im Hinblick auf lokale Netze, welche durch die heute bereits auf Distanzen von bis zu 100 km eingesetzte Quantenverschlüsselung noch nicht abgedeckt wird.
Weitere Forschungsbedarfe bestehen bei der Entwicklung von verschiedenen Technologien zur Realisierung eines Q-LAN. Es existieren bereits erste Konzepte sowohl für kabelgebundene als auch kabellose Lösungen. Auf Basis dieser Technologien muss langfristig die Möglichkeit für eine universelle Vernetzung von Quantenelementen entstehen, bei der alle Komponenten im Netzwerk eingebunden werden können. Da auch in einem Q-LAN Komponenten und Kommunikationskanäle zum Ziel von Angriffen werden können, muss die Sicherheit für derartige Systeme schon bei der Entwicklung mitbedacht werden.
Lokale Quantenkommunikationsnetze haben das Potential die Sicherheit digitaler Systeme erheblich zu steigern und zugleich das Anwendungsfeld für Quantentechnologien zu erweitern. Da das Feld aber noch am Anfang der Technologieentwicklung steht, bedarf es noch erheblicher Forschungsanstrengungen um Anwendungen zu erschließen. Um die Forschung dahingehend zu stimulieren und zu beschleunigen, beabsichtigt das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) daher die anwendungsorientierte Erforschung und Entwicklung von Technologien zum Aufbau lokaler Quantenkommunikationsnetze, sowie von Komponenten, die zur Vernetzung von Quantenelementen in einem Q-LAN eingesetzt werden können.
Ziel der Förderung ist, dass neue innovative Quantenkommunikationskomponenten zur Vernetzung in einem Q-LAN entwickelt und bestehende Ansätze verbessert werden. Mit der Bekanntmachung wird außerdem beabsichtigt, langfristig die Voraussetzungen für die Entwicklung marktreifer Quantenkommunikationskomponenten durch die deutsche Industrie zu schaffen. Hierzu soll die Förderung die Zusammenarbeit von Unternehmen und Forschungseinrichtungen im universitären und außeruniversitären Bereich intensivieren und im Speziellen die Partizipation kleiner und mittlerer Unternehmen (KMU) an aktuellen wissenschaftlichen Ergebnissen unterstützen.
Derzeit leisten Quantenkommunikationsnetze eine Übertragung von Quantenschlüsseln auf Strecken von weniger als etwa 100 km. Forschungsbedarfe bestehen jedoch bei der Vernetzung von Quantenelementen auf kurzen Strecken, wie beispielsweise in Gebäuden, in Campusnetzen oder Metropolregionen. Zur Realisierung solcher universellen Verbindungen können und müssen teilweise andere Technologien für Komponenten, Übertragungskanäle und Übertragungsprotokolle eingesetzt werden als bei der Quantenschlüsselverteilung über größere Distanzen. Die dabei auftretenden Fehlerquellen unterscheiden sich in ihrer Signifikanz von denen in Weitverkehrsnetzen. Die Korrektur solcher Übertragungsfehler auf kurzen Strecken ist essentiell für den Aufbau künftiger vielseitiger Quantennetze.
Gegenstand der Förderung bilden daher Forschungs- und Entwicklungsarbeiten zu den grundlegenden Komponenten und Übertragungstechnologien sowie zur Architektur sicherer und effizienter lokaler Quantennetze, von der Überbrückung weniger Meter bis hin zu einem Campusnetz. Forschungsfragen ergeben sich beispielsweise in den Bereichen:
Die Aufzählung ist als beispielhaft und nicht vollständig anzusehen. Die gewählten Ansätze sollen in einem nachhaltigen technologischen Fortschritt resultieren. Die grundsätzliche Praxistauglichkeit der erforschten Technologie soll nach Möglichkeit innerhalb der Projektlaufzeit demonstriert werden. Eine Einbindung von Know-how-Trägern auf Seiten der Industrie wird daher begrüßt. Querschnittsthemen wie Normung, Standardisierung und vorbereitende Arbeiten zur Zertifizierung sollten, soweit erforderlich, in den Vorhaben berücksichtigt werden.
Im Rahmen der Bekanntmachung werden vorzugsweise Verbünde, in begründeten Ausnahmefällen auch wissenschaftliche Einzelvorhaben in der Regel für bis zu drei Jahre gefördert. Die skizzierten Lösungen müssen deutlich über den aktuellen Stand der Wissenschaft und Technik hinausgehen.
