Sichere Satellitenkommunikation mit Quantenschlüsseln
Angesichts zunehmender Digitalisierung und Vernetzung gewinnt eine sichere Datenübertragung in nahezu allen Bereichen unserer Gesellschaft an Bedeutung. Heute eingesetzte kryptografische Verfahren beruhen auf Algorithmen, die mit geringem Rechenaufwand Daten ver- und entschlüsseln. Ohne den passenden Schlüssel ist das Entschlüsseln so komplex, dass es mit derzeit verfügbarer Rechenleistung praktisch nicht möglich ist. Abgehörte Daten könnten heute aber gespeichert und in Zukunft mit leistungsfähigeren Rechnern entschlüsselt werden.
Durch den Einsatz von Quantenzuständen als Träger der Information hingegen wird - physikalisch nachweisbar - sichere Kommunikation möglich: Die Gesetze der Quantenmechanik garantieren, dass die Kommunikation nicht unbemerkt abgehört oder gespeichert werden kann. Da die Abhörsicherheit auf fundamentalen Naturgesetzen beruht, kann sie selbst durch zukünftige Technologien nicht überwunden werden. Ein Ansatz für die globale Verteilung von Quantenschlüsseln ist die Kommunikation via Satellit. Diese ermöglicht eine größere Reichweite als Glasfaserverbindungen, die aufgrund von Leitungsverlusten bisher auf etwa 100 km beschränkt sind. Der Austausch geheimer Schlüssel zwischen mehreren Bodenstationen via Satellit ermöglicht so eine weltweite sichere Kommunikation.
Der Verbund „Quantenschlüsselverteilung mit Cube-Sat (QUBE)“ verfolgt das Ziel, Hardware für eine weltweite, abhörsichere Kommunikation mittels Satelliten zu entwickeln. Die Plattform wird durch kostengünstige Kleinstsatelliten, sogenannte Cube-Sats gebildet, die für diesen Zweck um die notwendigen Technologiekomponenten erweitert werden. Der Verbund QUBE integriert neuartige Technologien zur Erzeugung von Quantenschlüsseln in die Cube-Sat-Plattform und kombiniert diese mit leistungsfähigen, optischen Kommunikationssystemen. Miniaturisierte Quantenkommunikationskomponenten werden weltraumtauglich ausgebaut, um den extremen Temperatur- und Strahlungsbelastungen im All zu widerstehen. Dann werden sie in einen etwa 5 kg leichten Kleinstsatelliten integriert. Das Forschungsteam baut außerdem eine Bodenstation aus, die eine effiziente optische Kommunikation zum Satelliten gewährleistet, welche auch die Übertragung von Quantenzuständen ermöglicht. Im Projekt arbeiten führende Forschungsgruppen aus den Gebieten der Optik und Quantenkommunikation intensiv mit innovativen Unternehmen und Einrichtungen aus den Bereichen der Kommunikations-, Satelliten- und Raumfahrttechnik zusammen.
Quantenschlüsselverteilung ist eine der ersten, wichtigen Anwendungen der Quantentechnologien, die mit schon erhältlichen kommerziellen Geräten funktioniert. Zahlreiche Demonstrationen zeigen erfolgreich Punkt-zu-Punkt-Verbindungen auf optischen Freiraumstrecken und in Glasfasernetzwerken. Die im Rahmen des Vorhabens QUBE entwickelten Hardwarekomponenten ermöglichen hingegen kostengünstige Systeme zur weltweiten Quantenschlüsselverteilung per Kleinstsatellit. Mit erfolgreicher kommerzieller Umsetzung der QUBE-Lösungen wird nur wenige Jahre nach Projektende ein Netzwerk aus 10-20 Kleinstsatelliten und einer Vielzahl von Bodenstationen möglich werden.