Mit einem Flugexperiment zwischen Oberpfaffenhofen und Erlangen wurde heute die neueste Schlüsseldemonstration der QuNET-Initiative erfolgreich abgeschlossen. Das Flugzeug diente als mobiler Knoten innerhalb eines Quantennetzwerks und stellte eine Verbindung zu einer Bodenstation her, wo die Photonen erfolgreich empfangen und gemessen wurden. Die in diesem Schlüsselexperiment demonstrierten Technologien sind wegweisend für die zukünftige sichere Quantenkommunikation.
Es ist nicht einfach, einzelne Photonen gezielt aus einem Flugzeug zu übertragen, an einer Bodenstation einzufangen und zuverlässig zu detektieren. Genau das ist den Forschern nun gelungen: Sie haben wiederholt verschiedene Quantenkanäle zwischen dem Flugzeug und einer Bodenstation gemessen, Photonen in eine Ionenfalle übertragen und Technologien für die Quantenschlüsselverteilung getestet. Das Flugexperiment wurde im Rahmen der QuNET-Initiative durchgeführt, die Technologien für quantensichere Kommunikation entwickelt. Photonen - Lichtteilchen - können verwendet werden, um Quantenkryptographieschlüssel zu erzeugen, die die zukünftige Kommunikation praktisch immun gegen Abhören machen. Diese Technologien sind auch bahnbrechend für ein zukünftiges Quanteninternet, das Quantencomputer verbindet.
An dem Experiment nahmen Forscher des Deutschen Zentrums für Luft- und Raumfahrt (DLR), des Max-Planck-Instituts für Lichtwissenschaften (MPL), der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) sowie der Fraunhofer-Institute für Angewandte Optik und Präzisionstechnik (IOF) und des Heinrich-Hertz-Instituts (HHI) teil. Die Ergebnisse wurden nun dem Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) vorgestellt, das die QuNET-Initiative fördert. Die Verteilung von Quantenschlüsseln ist besonders wichtig für die Kommunikation von Regierungen und Behörden, aber auch generell für den Schutz der alltäglichen Infrastruktur und Daten in der Zukunft.
"Wir arbeiten an praktischen Lösungen für die satellitengestützte Quantenkommunikation, die die Übertragung von Quantenzuständen über große Entfernungen und die Erzeugung sicherer Schlüssel ermöglicht." In optischen Fasern ist dies nur über wenige hundert Kilometer möglich. Quantenverschlüsselung über Satelliten ermöglicht jedoch nahezu unbegrenzte Entfernungen auf der Erde, erklärt Florian Moll vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation. Um große Entfernungen zu überwinden, sollen Satelliten, Flugzeuge oder andere mobile Plattformen Teil zukünftiger Quantennetzwerke werden.
Im aktuellen Experiment kam ein DLR-Forschungsflugzeug zum Einsatz, das von der Flight Experiments-Anlage betrieben wird. Die Wissenschaftler installierten ein optisches Kommunikationsendgerät an Bord einer Dornier 228. Das Flugzeug fungierte als mobiler Knoten in einem Quantennetzwerk und stellte eine Verbindung zu einer optischen Empfangsstation am Boden her. Bei dieser Bodenstation handelt es sich um einen mobilen Container mit integriertem Empfangsterminal, bekannt als QuBUS, der vom Fraunhofer IOF in Jena bereitgestellt wird.
Fraunhofer IOF Verantwortlich für Tracking und Faserkupplung
Die Erforschung fortschrittlicher Systeme für eine hochsichere Quantenkommunikation steht am Fraunhofer IOF seit vielen Jahren im Fokus. In der jüngsten Flugkampagne der QuNET-Initiative brachten die Jenaer Forscher ihre Expertise auf mehreren Ebenen ein. An Bord des DLR-Forschungsflugzeugs wurde ein in Jena entwickeltes Modul mit einer integrierten Photonenpaarquelle geflogen, um verschränkte Lichtteilchen zu erzeugen. Diese Partikel wurden vom Flugzeug zum QuBUS übertragen. Dort sorgte ein spezialisiertes Tracking-System dafür, dass das Empfangsterminal der Bodenstation der Bewegung des Flugzeugs folgte und die Verbindung aufrechterhielt. Während der Übertragung durch die Atmosphäre treten unweigerlich Turbulenzen und Störungen auf. Diese Effekte zu korrigieren, um eine stabile Verbindung zu gewährleisten, ist Aufgabe der speziell in Jena entwickelten adaptiven Optiksysteme.
Für das aktuelle Experiment wurden in den letzten Monaten mehrere Forschungsflüge über Erlangen durchgeführt, da sich die Ionenfalle zur Messung der empfangenen Photonen in den Labors des lokalen MPL befindet. Vom QuBUS wurden die empfangenen Freiraumsignale in optische Fasern eingekoppelt und zu den Versuchsaufbauten im QuBUS und den MPL-Laboratorien geleitet. Diese Faserkopplung der Signale lag auch in der Verantwortung der Fraunhofer-Forscher. "Das Tracking und die Faserkopplung des Fraunhofer IOF haben somit die notwendige Umgebung für die eigentlichen Experimente geschaffen", erklärt Christopher Spiess vom Fraunhofer-Institut Jena.
Technisch hochkomplex
Die Handhabung einzelner Photonen ist eine Herausforderung: Für die Quantenkommunikation müssen sie in hoher Qualität erzeugt und auch unter starken äußeren Störungen klar detektiert werden. Darüber hinaus muss die Wellenlänge der Photonen genau angepasst werden, um bestmögliche Ergebnisse zu erzielen. "In unseren verschiedenen Versuchen haben wir gezeigt, dass dies tatsächlich möglich ist." Der von uns getestete Ansatz ist nicht nur von Flugzeugen aus, sondern auch von Satelliten aus realisierbar, fügt Florian Moll hinzu.
Die Zustände der "fliegenden" Partikel wurden in Messungen an der MPL-Ionenfalle erfolgreich verifiziert, wodurch ein zentrales Ziel des Experiments erreicht wurde. Mit dieser Kommunikationstechnologie könnten beispielsweise auch Quantenspeichersysteme oder Quantencomputer innerhalb eines zukünftigen Quantennetzwerks verbunden werden.
