Fehlerfreie Datenübertragung in Quantenkommunikationsnetzen
Für die IT-Sicherheit in Quantenkommunikationsnetzen der Zukunft werden verschiedene physikalische Systeme wie Atomkerne, Elektronen, Lichtquanten oder atomare Schwingungen genutzt und kombiniert. Durch diesen Ansatz können Quantengeräte entwickelt werden, die Quanteninformation nicht nur empfangen, senden und speichern, sondern diese auch sicher verarbeiten und Fehler beheben können. Solche Geräte werden als Quantenknoten zentrale Bausteine eines künftigen Quanteninternets sein. Dieses visionäre Konzept ermöglicht eine durch fundamentale Prinzipien gesicherte Kommunikation und verbindet Quantengeräte wie Quantensensoren und Quantencomputer. Eine große Herausforderung für die Forschung ist es heute allerdings noch, die empfindlichen Quanteninformationen vor Umgebungsstörungen zu schützen. Hierzu ist es erforderlich, Quantenfehler auf allen physikalischen Ebenen der Quantengeräte zu korrigieren. Dies ermöglicht nicht nur eine sichere Kommunikation, sondern erhöht auch die Speicherzeiten von Quanteninformationen, wodurch das Auslesen erleichtert und die Verteilung von Quanteninformation auf mehrere Nutzende oder über lange Distanzen ermöglicht wird.
Ziel des Projekts „Quantenfehlerkorrektur für vernetzte hybride Quantengeräte (QECHQS)“ ist es, einen theoretischen Rahmen und spezifische Protokolle für die Quantenfehlerkorrektur in hybriden Quantensystemen für die Quantenkommunikation zu entwickeln. Diese Quantensysteme werden als hybrid bezeichnet, da sie unterschiedliche physikalische Systeme miteinander kombinieren. Konkret wollen die Forschenden Quantengeräte entwickeln, die zur Informationsübertragung Lichtquanten und zur Informationsspeicherung den Eigendrehimpuls von Atomkernen (Kernspin) nutzen. Die Quanteninformation wird zwischen beiden Systemen durch kollektive Schwingungen von Atomen oder Elektronenspins in einem Festkörper wie Diamant vermittelt. Dabei tragen die einzelnen Schwingungsmoden die Quanteninformation. Die Verwendung von drei physikalischen Systemen − Lichtquanten, Kernspins und kollektive Schwingungen − ermöglicht es, Quanteninformationen effizient zu übertragen und gleichzeitig Quantenfehler in den Spins und in den Schwingungsmoden beispielsweise durch Laseransteuerung zu korrigieren. Die Forschenden planen, basierend auf diesen Systemen Protokolle zu entwickeln, um Quanteninformationen zu transportieren und zu speichern, sowie eine quantenbasierte Authentifizierung möglich zu machen.
Bisher existieren keine allgemeinen Protokolle für die Speicherung und sichere Übertragung von Quanteninformation in hybriden Quantensystemen, die Fehlerkorrekturen ermöglichen. Solche Protokolle sind allerdings essenziell für Bauelemente eines künftigen Quanteninternets. Systeme wie diese erfordern es, Quanteninformationen besonders effizient ein- und auszulesen sowie lange zu speichern. Für diese Herausforderungen werden im Projekt maßgeschneiderte Quantenprotokolle entwickelt. Dies trägt perspektivisch dazu bei, die technologischen Grundlagen für ein künftiges Quanteninternet zu legen – und somit Deutschland als Standort für Hochtechnologie zu stärken.