Neue Glasfaser-Teststrecke für Quantennetzwerke

Abhörsichere Kommunikation ist für eine vernetzte Gesellschaft von zentraler Bedeutung. Entsprechende Grundlagen liefert die Quantenphysik: Sie ermöglicht praxistaugliche Technologien wie die Quantenschlüsselverteilung. Mit der neuen Glasfaser-Teststrecke am Karlsruher Institut für Technologie (KIT), die am Mittwoch, den 22. Januar 2025, eröffnet wurde, wollen die Forschenden solche Schlüssel übertragen, testen und weiterentwickeln. Darüber hinaus wollen sie ein Quantennetzwerk aufbauen mit dem Quantenverschränkung übertragen werden kann. Damit soll die Reichweite von Quantenkommunikation erweitert werden und die Verknüpfung von Quantencomputern ermöglicht werden.

Mit der neuen Glasfaser-Teststrecke nutzen die Forschenden modernste Technologien, wie hochkohärente Laser, um die Quantenschlüssel zu erzeugen und zu übertragen. Diese sind entscheidend für eine abhörsichere Kommunikation, da sie auf physikalischen Gesetzen basieren und nicht wie bisherige Schlüssel auf mathematischen Annahmen, die mit künftigen Quantencomputern gebrochen werden können.

Mit einer Länge von 20 Kilometern verbindet eine von der Firma TelemaxX angemietete Glasfaser als quantenoptische Übertragungsstrecke speziell ausgestattete Labore mit aufwändigen Lasern und Kryostaten am Campus Süd und Campus Nord des KIT. Der lichtleitende Kern der Glasfaserleitung hat einen Durchmesser von nur etwa 9 Mikrometern. Ein menschliches Haar ist im Vergleich dazu etwa 60 Mikrometer dick.

„Mit der errichteten Teststrecke stellt das KIT den Forschenden eine wichtige Infrastruktur zur Verfügung, um an den Möglichkeiten der Quantenphysik zu forschen“, sagt Professor Oliver Kraft, Vizepräsident Forschung des KIT. „So leistet das KIT einen entscheidenden Beitrag, um Quantentechnologien voranzutreiben und hin zu Anwendungen zu bringen.“

„Wir haben nun mit der Glasfaser- Teststrecke eine wichtige Plattform, um die Quantenschlüsselverteilung weiterzuentwickeln, grundlegende Charakterisierungen durchzuführen und in die klassische Kommunikation zu integrieren“, sagt Projektleiter Professor David Hunger vom Physikalischen Institut (PHI) am KIT. „Darauf aufbauend wollen wir außerdem neuartige Übertragungsprotokolle für die Schlüssel entwickeln. Zum einen wollen wir Methoden entwickeln um Quantenkryptographie effizienter und praktikabler zu machen. Hierzu arbeiten wir z.B. mit der Firma KEEQuant zusammen, einem Startup-Unternehmen auf dem Gebiet der Quantenkryptographie. So konnten wir bereits erste Quantenschlüssel zwischen Campus Nord und Campus Süd austauschen. Zum anderen wollen wir mit Hilfe spezieller Materialien wie z.B. molekularer Quantenemitter und Farbzentren in Diamant hochreines Quantenlicht – einzelne Lichtteilchen, oder sogenannte Photonen – erzeugen und damit Übertragungsraten erhöhen.“

Aufbau eines Quantennetzwerks

Zusätzlich wollen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in mehreren Schritten ein Quantennetzwerk aufbauen mit dem sie Elemente des künftigen Quanteninternets erforschen. Zwei zentrale Schritte dahin sind die Speicherung von Quanteninformation und die quantenmechanische Verschränkung von Quantenspeichern. Damit können z.B. sogenannte Quantenrepeater realisiert werden, mit deren Hilfe Quanteninformation auch über große Distanzen übertragen werden kann. Verschränkung ist auch ein Grundelement von Quantencomputern, und optische Übertragung von Verschränkung ermöglicht die Verknüpfung von Quantencomputern in einem Quanteninternet.

Teststrecke als Teil der Exzellenzcluster-Initiative Chem4Quant

Das Projekt ist eine zentrale Infrastruktur der Exzellenzcluster-Initiative „Chem4Quant“ in der Forschende des KIT, der Universität Ulm und der Universität Stuttgart gezielt Materialstrukturen für künftige Quantentechnologien aufbauen wollen und sich auf ein neues Teilgebiet der Quantentechnologien, die molekularen Quantensysteme, fokussieren. Zudem ist es eine wichtige Komponente für die Forschung zu Quantenrepeatern im Rahmen des BMBF Verbundprojekts Quantenrepeater.Net (QR.N), sowie ein Beitrag für den Baden-Württemberg-weiten Innovationscampus QuantumBW.

Ansprechpartner:

Prof. Dr. David Hunger, Physikalisches Institut

Prof. Dr. Sebastian Randel, Institut für Photonik und Quantenelektronik