Am 27. Januar 2025 wurde in Ulm eine 2,5 Kilometer lange Teststrecke für Quantenverschlüsselung erfolgreich erprobt. In einer Zusammenarbeit zwischen der Universität Ulm und dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) wird dabei die sichere Übertragung sensibler Daten mittels Photonen untersucht. Dieses Projekt ist Teil einer landesweiten Strategie zur Förderung der Quantenforschung in Deutschland.
Quantenbasierte Kommunikationstechniken ermöglichen eine besonders sichere Datenübertragung und verhindern unbemerkte Lauschangriffe. Die QKD-Strecke (Quantum Key Distribution) verläuft zwischen der Universität Ost und dem Institut für Quantentechnologien des DLR. Bei den Tests wurden medizinische Patientendaten über eine bestehende Glasfaserverbindung übertragen, während der Zugangsschlüssel auf quantenbasierte Weise übermittelt wurde. Der Quantenschlüssel, der mithilfe von Photonen erzeugt wird, kann nicht unbemerkt abgehört werden.
Technologische Grundlagen und zukünftige Entwicklungen
Die Verschlüsselungsgeräte wurden von Quantum Optics Jena bereitgestellt, die auch für die Entwicklung der Software verantwortlich sind. Die QKD-Strecke wird neben der praktischen Anwendung auch für die Grundlagenforschung in den Bereichen Kryptografie, Quantenbits und Quantencomputern eingesetzt. Das DLR konzentriert sich dabei auf anwendungsnahe Forschung und Weiterentwicklung.
Ein zukünftiger Ansatz sieht die Verbindung der Universität Ulm mit dem Karlsruher Institut für Technologie über eine weitere QKD-Strecke vor. Diese Entwicklungen sind Teil des Innovationscampus QuantumBW in Baden-Württemberg.
Die Prinzipien der Quantum Key Distribution (QKD), wie sie in der Forschung thematisiert werden, ermöglichen es zwei Parteien, einen geheimen Schlüssel für die Verschlüsselung von Nachrichten zu generieren. Neueste Ansätze der QKD zielen darauf ab, die Einschränkungen traditioneller Methoden hinsichtlich Distanz und Effizienz zu überwinden. So wurde ein experimentelles System entwickelt, das Schlüssel über 833,8 Kilometer Glasfaser übertragen kann, was einen neuen Rekord für faserbasierte QKD darstellt.
Darüber hinaus haben Fortschritte in der asynchronen Zwei-Photonen-Interferenz die Möglichkeit geschaffen, QKD ohne die Notwendigkeit einer komplexen Phasensynchronisation durchzuführen. Diese Technik hat Übertragungsdistanzen von bis zu 450 Kilometern erreicht und ermöglicht höhere Schlüsselraten als traditionelle Methoden. QKD-Netzwerke entwickeln sich zunehmend von theoretischen Konzepten zu praktisch anwendbaren Systemen.
Zusätzlich werden neue Protokolle zur geräteunabhängigen quantensicheren Direktkommunikation (DI-QSDC) entwickelt, die die Sicherheit weiter verbessern und die Nachrichtenübertragung mit hyperverwickelten Photonpaaren optimieren. Dies reduziert den Nachrichtenverlust und erweitert die Kommunikationsdistanzen.
Die Integration quantenbasierter digitaler Signaturen in sichere Netzwerke stellt einen weiteren Fortschritt in der Kryptografie dar. Ein neues Protokoll ermöglicht es, große Dokumente mit einem hohen Sicherheitsniveau effizient zu signieren und verbesserte Sicherheitsstrukturen für digitale Kommunikation zu schaffen, wie [Nature](https://www.nature.com/research-intelligence/quantum-key-distribution-and-communication) berichtete.
Die Zusammenarbeit von Universitäten und Forschungsinstituten im Bereich der Quantenkommunikation wird zukünftig auch zur Schaffung großflächiger quantensicherer Netzwerke beitragen, die über 1.000 Kilometer reichen können.
