Schlüsselexperiment der QuNET-Initiative: Hochsichere Quantenkommunikation im urbanen Umfeld

Forschende aus Jena, Berlin, Erlangen und Oberpfaffenhofen der vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten QuNET-Initiative bereiten sich darauf vor, im Rahmen eines groß angelegten Schlüsselexperiments mehrere Nutzer*innen innerhalb der Metropolregion Berlin miteinander quantengesichert zu vernetzen und den aktuellen Entwicklungsstand der Initiative zur hochsicheren Kommunikation zu demonstrieren.

Die Übertragungsnetze der Zukunft sollen mithilfe der Quantenkommunikation hochsicher werden. Dafür setzt sich die vom BMBF ins Leben gerufene QuNET-Initiative ein. Auf dem Weg dorthin steht für die Partner des Kernkonsortiums – die beiden Fraunhofer-Institute Heinrich-Hertz-Institut HHI und das Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, das DLR Institut für Kommunikation und Navigation, das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, sowie die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg – nun ein weiteres Schlüsselexperiment an: Die Demonstration eines quantengesicherten Kommunikationsnetzes mit mehreren Nutzer*innen innerhalb einer städtischen Umgebung.

„Das Ziel des Schlüsselexperimentes ist es, über reine Punkt-zu-Punkt Verbindungen hinausgehend mehrere Nutzer*innen innerhalb der Metropolregion Berlin quantengesichert zu vernetzen“, erklärt Dr. Nino Walenta, Verantwortlicher für das Schlüsselexperiment am Fraunhofer-Institut HHI. „In Zusammenarbeit mit Berliner Partnern wie der Bundesdruckerei GmbH und der Deutschen Telekom soll demonstriert werden, wie Behörden zukünftig quantengesichert schützenswerte Daten austauschen können.“ Dazu wird in der Region Berlin ein Netz bestehend aus sechs Knotenpunkten aufgebaut.

Urbanes Testnetzwerk in Berlin

Für das Schlüsselexperiment werden neben den Standorten des Fraunhofer HHI am Einstein- und Salzufer auch Standorte der Deutschen Telekom und der Bundesdruckerei GmbH miteinander verbunden. Das Netz umspannt über 125 km Glasfaserstrecke und zusätzliche Freistrahlverbindungen durch die Luft. Für die quantengesicherte Kommunikation werden verschiedene quantenkryptographische Systeme, welche in der QuNET-Initiative entwickelt wurden, zu einem heterogenen Gesamtnetz zusammengeschlossen.

Anwendungsbeispiele der hochsicheren Datenübertragung

In dem Schlüsselexperiment soll erforscht werden, wie digitale Dienste im Quantenzeitalter hochsicher gestaltet werden können. Als Technologieunternehmen des Bundes bringt die Bundesdruckerei GmbH ihre Expertise in Hinblick auf sichere Infrastrukturen in das Experiment mit ein. Über das Netzwerk in Berlin werden dabei sensible Daten zwischen mehreren Institutionen ausgetauscht und die Übertragung mittels Quantenkryptographie abgesichert.

Demonstrationen von QuNET-Entwicklungen im realen Umfeld

Eine Herausforderung bei der Vernetzung mehrerer Nutzer*innen stellt die optische Streckenführung zwischen den Standorten dar. Hierfür sollen Versuchsreihen durchgeführt werden, bei denen die von den Wissenschaftler*innen entwickelten Systeme und Komponenten zum Verteilen und Weiterleiten der Quantenschlüssel innerhalb des Netzwerks erprobt werden. Im Fokus stehen dabei Tests, die das in Netzwerken erforderliche optische Switching und Routing von Quantenkanälen unter realen Bedingungen adressieren. Außerdem wird gezeigt, wie ein zukünftiges heterogenes Netz realisiert werden kann, das verschiedene Übertragungstechnologien zur Quantenschlüsselverteilung in sich vereint. Hierfür werden auch Freistrahlverbindungen in das Netzwerk integriert, mit denen sich beispielsweise Lücken oder Unterbrechungen in Glasfasernetzen überbrücken lassen. Bei den freistrahlbasierten Teilstrecken liegt ein Augenmerk darauf, die besonderen Herausforderungen bei der Übertragung der Quantenschlüssel in innerstädtischen Umgebungen zu untersuchen.

Fortschritt auf dem Weg zu komplexen Mehrbenutzer*innen Quantenkommunikationsnetzwerken

Das Schlüsselexperiment in Berlin ist mittlerweile die dritte öffentlichkeitswirksame Demonstration der QuNET-Initiative und stellt den nächsten Schritt der kontinuierlich voranschreitenden Technologieentwicklung dar: Bereits im August 2021 hatten die QuNET-Forschenden erfolgreich eine quantengesicherte Videokonferenz zwischen zwei Bundesbehörden realisiert. Damals wurde eine Punkt-zu-Punkt Verbindung zwischen dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) in Bonn umgesetzt. Im Juni 2023 ist den QuNET-Forschenden der erfolgreiche Austausch von Quantenschlüsseln in einem Ad-hoc Szenario zwischen zwei Punkten mit einer Kombination aus Freistrahl- und Faserverbindungen in Jena gelungen. In dem aktuellen Schlüsselexperiment wird nun das komplexe Anwendungsszenario der Übertragung der Quantenschlüssel in einem urbanen Kommunikationsnetzwerk mit mehreren Zugangspunkten demonstriert.

Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Dr. Nino Walenta
Fraunhofer HHI
Telefon +49 30 31002-514
nino.walenta@hhi.fraunhofer.de

Weitere Informationen:
https://www.qunet-initiative.de/
https://www.iof.fraunhofer.de/de/presse-medien/pressemitteilungen/2021/erste-quantengesicherte-videokonferenz.html
https://www.iof.fraunhofer.de/de/presse-medien/pressemitteilungen/2023/QuNET-Schluesselexperiment-2023.html