Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert neues Verbundprojekt mit 20 Millionen Euro für drei Jahre / Teilprojekt an der Johannes Gutenberg-Universität Mainz betrifft sowohl die theoretische Modellierung als auch die experimentelle Realisierung
Nahezu täglich erreichen uns Meldungen von IT-Sabotage, IT-Spionage oder "hybrider Kriegsführung". Netzwerke, die auf quantenphysikalischen Grundlagen basieren, könnten hier ein großes Maß an Sicherheit bringen. Grundlage für solche Netzwerke sind sogenannte Quantenrepeater, an denen Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus ganz Deutschland seit Jahren forschen. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) fördert nun ab Januar 2025 ein neues Forschungsprojekt, "Quantenrepeater.Net (QR.N)", in dem Konzepte von Quantenrepeatern auf Teststrecken außerhalb von Laborumgebungen demonstriert werden sollen. Das Bundesforschungsministerium stellt dafür über drei Jahre insgesamt 20 Millionen Euro bereit. Koordiniert wird das Projekt von Prof. Dr. Christoph Becher von der Universität des Saarlandes. Die Johannes Gutenberg-Universität Mainz (JGU) ist mit einem Teilprojekt an dem Verbund beteiligt.
Quantenrepeater für faserbasierte Quantenkommunikation mit langen Reichweiten
Jeder kennt sie von zu Hause, wo sie in abgelegenen Steckdosen ihr Dasein fristen und das heimische WLAN in die Ecken der Wohnung schicken, die allein mit dem Router sonst nicht erreichbar wären: Repeater. Diese kleinen Geräte erweitern, geschickt platziert, die Reichweite der Datenübertragung erheblich. An Repeatern forschen auch viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Deutschland. Allerdings sind es nicht Repeater, die man für ein paar Euro im Elektromarkt kaufen kann, sondern ungleich komplexere Quantenrepeater, denen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ihre Aufmerksamkeit widmen. Im nun neu eingerichteten BMBF-Forschungsprojekt QR.N wollen insgesamt 42 Partner aus Forschung und Industrie weitere Fortschritte bei der Erforschung und Einrichtung von Quantennetzwerken machen.
Quantennetzwerke für sichere Kommunikation und Vernetzung zukünftiger Quantencomputer
Solche Netzwerke können in Zukunft von entscheidender Bedeutung für freie Gesellschaften und den Schutz unserer kritischen Infrastruktur sein – man halte sich nur die rasch steigende Zahl von IT-Sabotageakten vor Augen, von Spionage und Hackerangriffen, die unsere vernetzte Welt immer stärker ins Wanken bringen. Quantennetzwerke böten hier ein ganz neues Level an Sicherheit. Denn aufgrund der quantenphysikalischen Grundlagen, auf denen ein solches Netzwerk basiert, sind diese extrem sicher vor Spionage oder Sabotage. Quantenrepeater, die eine sichere Übertragung von Informationen auch über größere Distanzen hinweg erlauben und dadurch Quantennetzwerke ermöglichen, liefern daher einen wichtigen Beitrag bei der Einrichtung einer quantengesicherten IT-Infrastruktur. Darüber hinaus bieten sie die Perspektive der sicheren Vernetzung zukünftiger Quantencomputer.
Doch das ist ein herausforderndes Unterfangen. Die Quantenzustände für die Kommunikation im Quantennetzwerk müssen mit hoher Qualität erzeugt und möglichst verlustfrei übertragen werden. Um aus einer einfachen Verbindung zwischen zwei Punkten aber ein ganzes Netzwerk entstehen zu lassen, braucht es Knotenpunkte, die diese Quantenzustände zwischenspeichern und für die Übertragung zum nächsten Knoten sorgen – Repeater eben.
JGU mit Teilprojekt zur theoretischen Modellierung und experimentellen Realisierung beteiligt
Das neue Verbundprojekt QR.N basiert auf Ergebnissen des ebenfalls BMBF-geförderten Projekts "Quantenrepeater.Link (QR.X)", das bereits von 2021 bis Ende 2024 bundesweit die Grundlagen für die Entwicklung eines Quantenrepeaters erforscht hat. Immer dabei ist ein Teilprojekt der JGU, in dem sowohl experimentell als auch theoretisch zur Quantenkommunikation geforscht wird.
Die Experimente, geleitet von Prof. Dr. Ferdinand Schmidt-Kaler, konzentrieren sich dabei auf eine spezielle Plattform, nämlich sogenannte Defektzentren in Diamant, als Licht-Speicher-Schnittstelle. Die experimentellen Silizium-Farbzentren zeichnen sich durch eine schmalbandige Lichtemission aus, die für die räumliche Verteilung sogenannter verschränkter, quantenmechanischer Zustände über Einzelphotonen-Emission und -Detektion genutzt werden. Neben den Farbzentren werden im Verbundprojekt auch Atome, Ionen sowie Halbleitersysteme im Hinblick auf Quantenrepeater experimentell erforscht. Das JGU-Theorieprojekt, geleitet von Prof. Dr. Peter van Loock, ist dabei federführend bei der theoretischen Modellierung der Quantenrepeater über alle Plattformen. "Neben einer möglichst realistischen Modellierung der Quantenrepeater-Systeme werden auch neuere Ansätze untersucht, bei denen das vom Quantencomputing bekannte Konzept der Quantenfehlerkorrektur zu einem viel höheren Grad als bisher eingesetzt und speziell an einen Quantenrepeater angepasst wird. Dadurch können die experimentell besonders schwierigen Anforderungen an die Robustheit und Lebensdauer der Quantenspeicher in einem Quantenrepeater erleichtert werden – bis hin zu optischen Quantenrepeatern, die ohne Zwischenspeicherung auskommen", erklärt Peter van Loock.
Ein erklärtes Ziel des Projektkonsortiums ist es, die Grundlage dafür zu erarbeiten, dass in einigen Jahren eine "quantengesicherte Kommunikation" in Deutschland aufgebaut werden kann. Diese ist von hoher gesellschaftlicher Bedeutung, insbesondere, was die IT-Sicherheit und den Schutz kritischer Infrastruktur anbelangt. Quantenrepeater werden dabei keine Elektronikmarkt-Massenware werden wie ihre unscheinbaren Brüder und Schwestern in den Steckdosen landauf, landab. Aber ihre Bedeutung für unsere Gesellschaft wird umso größer sein.
Zum Hintergrund des QR.N-Projekts
Das Projekt "Quantenrepeater.Net (QR.N)" ist am 1. Januar 2025 gestartet. Es wird über drei Jahre vom Bundesministerium für Bildung und Forschung mit insgesamt 20 Millionen Euro gefördert. Insgesamt arbeiten darin 42 Forschungseinrichtungen und Unternehmen zusammen, um die grundlegenden Bausteine einer auf Quantenrepeatern aufbauenden Quanten-Netzwerkstruktur zu entwickeln. Das Projekt basiert auf Ergebnissen des ebenfalls BMBF-geförderten Projekts "Quantenrepeater.Link (QR.X)", das unter der Federführung von Prof. Dr. Christoph Becher von der Universität des Saarlandes von 2021 bis Ende 2024 bundesweit die Grundlagen für die Entwicklung eines Quantenrepeaters erforscht hat. Diesem waren seit 2010 weitere Projekte vorangegangen.
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