Kompakte Module für mobile, freistrahlbasierte Quantenkommunikation
Durch Quantenkommunikation soll die Sicherheit gegenüber Abhörangriffen entscheidend verbessert werden. Dies ist insbesondere vor dem Hintergrund der Entwicklung zukünftiger Quantencomputer relevant. Diese werden in der Lage sein, gängige Verschlüsselungsprotokolle zu brechen. Aktuelle Systeme zur Quantenschlüsselverteilung (engl. Quantum Key Distribution, QKD) sind noch nicht für den Einsatz in mobilen Anwendungen verfügbar. Solche kompakten QKD-Systeme sind beispielsweise im Automotivebereich vielversprechend, wo sie dem schlüssellosen Zugang zum Fahrzeug dienen könnten. Auch könnten diese Systeme Verbindungen über Virtuelle Private Netzwerke (VPN) auf lokalen Campusnetzwerken – beispielsweise auf Werksgeländen – abhörsicherer machen. Die erforschten QKD-Module können auch auf satellitengestützten Plattformen eingesetzt werden, um zukünftig eine sicherere Kommunikation über große Distanzen zu ermöglichen.
Das Forschungsvorhaben „Miniaturisierte Quantenschlüssel-Einheit“ (MiQuE) verfolgt das Ziel, kompakte Module mit geringem Energieverbrauch zum Senden und Empfangen von QKD-Schlüsseln zu entwickeln. Die Übertragung findet dabei über eine optische Freistrahlstrecke statt. Auf Senderseite soll ein Modul zur Erzeugung der QKD-Schlüssel erforscht werden. Dies schließt die Strahlquellen, die Präparation der optischen Pulse sowie die Optiken zur Übermittlung der Signale zum Empfängermodul ein. Um den Einsatz von großen Teleskopen für das Senden und Empfangen der Signale zu vermeiden, werden moderne Ansätze mit speziell gefertigten Freiformoptiken, verfolgt und eine dazu passende Strahlsteuerung erforscht. Diese soll eine möglichst einfache Ausrichtung von Sender zu Empfänger ermöglichen. Auf Empfängerseite werden die ankommenden Signale detektiert, verarbeitet und daraus der kryptografische Schlüssel für die darauffolgende eigentliche Datenübertragung erstellt. Typischerweise müssen die Detektoren für die QKD-Signale gekühlt werden. Um ein möglichst kompaktes System mit geringem Energieverbrauch zu erhalten, werden neue Thermalkonzepte erforscht und optimiert. Zusätzlich zu diesen Forschungsarbeiten sollen die entwickelten Module in eine VPN-Umgebung eingebettet werden. Dies soll eine per QKD gesicherte Kommunikation beispielsweise in Campusnetzwerken ermöglichen.
Das geplante kompakte QKD-Modul ermöglicht den Betrieb bei Raumtemperatur und eignet sich damit hervorragend für mobile Anwendungen. Auch für zukünftige Einsätze auf Satellitenplattformen sind die hochintegrierten Module durch ihren geringen Energieverbrauch interessant. Aktuell sind kommerzielle Systeme mit einer Übertragung mittels optischer Freistrahlstrecke noch nicht verfügbar, weshalb das Vorhaben ein hohes Innovationspotenzial bietet. Die zu erforschenden Module sind als zentrale Schlüsselkomponenten für eine auch in Zukunft sichere Kommunikation zu betrachten. Durch die Zusammenarbeit von deutschen Forschungsinstituten und Unternehmen können Kompetenzen auf dem Feld der Quantenkommunikation erweitert, sowie die technologische Souveränität mit Blick auf die Sicherheit informationstechnischer Systeme gestärkt werden.