Angesichts der wachsenden Bedrohung durch Quantencomputer, die in der Lage sind, verschlüsselte Daten mit beeindruckender Geschwindigkeit zu decodieren, intensivieren Forschende weltweit ihre Anstrengungen zur Entwicklung eines sicheren Quanteninternets. Wie die Leibniz Universität Hannover berichtet, soll das Quanteninternet abhörsichere Kommunikation ermöglichen und sich auf quantenmechanische Phänomene stützen. Die vielversprechenden Möglichkeiten, die es bietet, stehen jedoch vor Herausforderungen wie hohen Kosten, hohem Energieverbrauch und der Komplexität der Technologie.
Zwei Forscher des Instituts für Photonik an der Leibniz Universität Hannover entwickeln ein innovatives Verfahren zur verschränkungsbasierten Quantenschlüsselverteilung. Dieses nutzt Frequenz-bin-kodierte Quantenzustände und ermöglicht eine höhere Sicherheit und Ressourceneffizienz. Anders als herkömmliche Verfahren, die Polarisation verwenden, ist das neue System robuster gegenüber Störungen durch Umweltfaktoren, da es unterschiedliche Lichtfrequenzen zur Kodierung nutzt. Die Kosten für die notwendigen Telekommunikationskomponenten konnten bereits von 100.000 Euro auf ein Viertel gesenkt werden, was die Technik zugänglicher macht.
Vorteile der Frequenz-bin-Übertragung
Mit der Fähigkeit zur gleichzeitigen Nutzung mehrerer Kanäle mittels adaptivem Frequenzmultiplexing wird die Schlüsselverteilungsrate ohne zusätzliche Geräte signifikant erhöht. Zudem ermöglicht eine dynamische Anpassung der Netzwerkleistung an die aktuelle Auslastung, was die Effizienz des Systems weiter steigert. Diese Entwicklungen könnten dazu beitragen, kritische IT-Infrastrukturen, zum Beispiel im Bank- und Gesundheitssektor, erheblich zu sichern.
Der Forschungsbedarf bleibt jedoch bestehen, insbesondere im Bereich der Nanophotonik und Quantenoptik, um weitere Verfahren und Komponenten zu entwickeln. Die Unterstützung institutioneller Rahmenbedingungen durch Organisationen wie TÜV Nord, das BMBF und den ERC spielt eine entscheidende Rolle bei der Realisierung dieser Ziele.
Quantenkommunikation als Schlüssel zur Datensicherheit
Die Fraunhofer-Gesellschaft hebt hervor, dass Quantenkommunikation die Prinzipien der Quantenmechanik einsetzt, um nahezu abhörsichere Informationen zu übertragen. Ein zentrales Element ist die Quantenschlüsselverteilung (QKD), durch die Abhörversuche sofort erkannt werden. Bereits erprobte kommerzielle Anwendungen stellen eine vielversprechende Entwicklung dar, die die Sicherheit und Effizienz in Bereichen wie Regierungs- und Militärkommunikation sowie im Finanzsektor und in der Gesundheitswirtschaft erhöht.
Trotz der Fortschritte gilt es, der technologischen Komplexität und den Kosten der Quantenkommunikation Rechnung zu tragen. Die Herausforderung, Quantenrepeater zu entwickeln, für die Erhöhung der Kommunikationsreichweiten zu sorgen und bestehende Kommunikationssysteme zu integrieren, bleibt eine zentrale Aufgabe für die Forschung.
Potenziale und Herausforderungen der Quantenkommunikation
Wie in einem umfassenden Überblick der Wissenschaft dargelegt wird, hat Quantenkommunikation das Potenzial, die Art und Weise, wie Informationen gesichert und übertragen werden, grundlegend zu verändern. Das BB84-Protokoll, das 1984 von Charles Bennett und Gilles Brassard entwickelt wurde, steht beispielhaft für die Anwendung der Quantenkryptographie zur Erreichung absolut sicherer Kommunikation.
Dennoch sind auch hier zahlreiche Herausforderungen zu überwinden: Die Realisierung der benötigten Technologie erfordert nicht nur intensive Forschungsanstrengungen, sondern auch interdisziplinäre Kooperationen. Die Hardware muss so entwickelt werden, dass sie die extremen Anforderungen der Quantenkommunikation erfüllt, einschließlich der Notwendigkeit, Quantenzustände über große Distanzen aufrechtzuerhalten.
Insgesamt zeigen die Fortschritte in diesem Bereich, dass die Kombination aus theoretischen Grundlagen und praktischen Anwendungen in der Quantenkommunikation sowohl Oportunitäten als auch Herausforderungen mit sich bringt. Doch die potenziellen Vorteile, vor allem im Hinblick auf Datensicherheit und -integrität, könnten die Investitionen rechtfertigen, die nötig sind, um die Quantenkommunikation im Alltag umzusetzen.
