Quantentechnologien
Weltrekord in der Quanten-Kommunikation
Forschenden aus Südafrika und China ist es gelungen, die weltweit längste interkontinentale, ultrasichere Quantensatellitenverbindung mit einer Länge von 12.900 Kilometern aufzubauen, berichtete kürzlich die südafrikanische Stellenbosch Universität (SU). Gelungen sei das bei "Nature" in einem Fachartikel dokumentierte Experiment mithilfe des chinesischen Quantenmikrosatelliten Jinan-1.
Der chinesische Mikrosatellit sei in eine niedrige Erdumlaufbahn gebracht worden und habe durch tragbare Bodenstationen Quantenschlüssel vom Weltraum aus auf der Erde verteilen können. So habe das Forschungsteam unter der Leitung der Experimentalphysikerin Dr. Yaseera Ismail die erste Kommunikationsverbindung über Quantensatelliten in der südlichen Hemisphäre hergestellt.
Die Quantenschlüssel seien dabei in Echtzeit mittels Quantenschlüsselverteilung (QKD) generiert worden. Dies ermöglichte die sichere Verschlüsselung von Bildübertragungen zwischen Bodenstationen in China und Südafrika mittels einer als "unknackbar" geltenden Einmalverschlüsselung. Die Entwicklung eines Mikrosatelliten mit nur 23 Kilogramm Gewicht und tragbaren Bodenstationen von 100 Kilogramm habe Kosten reduziert und die Machbarkeit erhöht: "Die kompakte Anlage kann problemlos auf bestehenden Raumstationen oder kleinen Satelliten montiert werden und ebnet so den Weg für Anwendungen im realen Leben und den globalen Einsatz", heißt es in der Zusammenfassung der Ergebnisse.
"Dieser Durchbruch unterstreicht die Bedeutung der Förderung und Investition in Grundlagenwissenschaften wie Quantencomputing."
Professor Sibusiso Moyo, stellvertretender Rektor für Forschung, Stellenbosch Universität
Professor Sibusiso Moyo, stellvertretender Rektor für Forschung, Innovation und Postgraduiertenstudien an der SU, betonte in der SU-Mitteilung anlässlich der Veröffentlichung der Ergebnisse: "Dieser Durchbruch unterstreicht die Bedeutung der Förderung und Investition in Grundlagenwissenschaften wie Quantencomputing. Wir sind stolz darauf, dass unsere Forschenden die Grenzen der Wissenschaft erweitern."
Quantenkommunikation
Quantenkommunikation basiert auf grundlegenden Prinzipien der Quantenmechanik und garantiert so eine hochsichere Informationsübertragung. Die Quantenschlüsselverteilung ermöglicht es zwei kommunizierenden Parteien, einen geheimen Schlüssel zu teilen, um Daten sicher zu übertragen. Ein Teil der Daten wird nach Übermittlung überprüft, um festzustellen, ob ein Abhörversuch stattgefunden hat. Ist alles sicher, wird der gemeinsame Schlüssel generiert.
Die Technik basiert auf der Eigenschaft von Lichtteilchen (Photonen), Informationen in Quantenzuständen zu tragen. Sie nutzt einzelne Photonen zur Verschlüsselung und Übertragung sicherer Schlüssel. Da einzelne Photonen nicht abgefangen, kopiert oder gemessen werden können, ohne ihre Quantenzustände zu verändern, bietet diese Technologie bislang beispiellose Sicherheit.
Internationale Kooperationen unerlässlich für Durchbrüche
Die idealen Umweltbedingungen in Stellenbosch mit klarem Himmel und niedriger Luftfeuchtigkeit haben der lokalen Bodenstation eine außergewöhnliche Schlüsselgenerierungsrate von 1,07 Millionen sicheren Bits während eines einzigen Satellitenüberflugs ermöglicht. Die Experimentalphysikerin Ismail betonte laut Mitteilung die Bedeutung der Zusammenarbeit für das Ergebnis: "Internationale und nationale Kooperationen sind unerlässlich, um Spitzenforschung voranzutreiben und wissenschaftliche Grenzen zu erweitern." Die Implementierung der ersten Quantensatellitenverbindung der südlichen Erdhalbkugel zeige das enorme Potenzial für die Entwicklung eines florierenden Quantenökosystems.
"Internationale und nationale Kooperationen sind unerlässlich, um wissenschaftliche Grenzen zu erweitern."
Dr. Yaseera Ismail, Experimentalphysikerin, Stellenbosch Universität
China sei sehr aktiv in der Erforschung von Quantenkommunikationstechnologien, erläutert die Stellenbosch Universität in ihrer Meldung anlässlich der Ergebnisveröffentlichung. Die Quanteninfrastruktur des Landes umfasse ein 2.000 Kilometer langes terrestrisches, glasfaserbasiertes Quantennetzwerk mit 32 Knotenpunkten in Großstädten wie Peking oder Shanghai. Beispielhaft seien Projekte des Quantenphysikers Professor Jian-Wei Pan, der bereits 2017 satellitengestützte Quantenverbindungen zwischen China und Österreich demonstriert hatte. Yin sei maßgeblich an der Entwicklung von Chinas erstem Quantensatelliten Micius beteiligt gewesen und habe bei der südafrikanisch-chinesischen Zusammenarbeit das chinesische Forschungsteam geleitet.
Auch Francesco Petruccione, Professor für Quantencomputing an der Fakultät für Datenwissenschaft und Computational Thinking und Direktor des Nationalen Instituts für Theoretische und Computational Sciences (NITheCS) der Universität Stellenbosch, habe Pionierarbeit in der Quantenkommunikation geleistet. So hat er eines der weltweit ersten faseroptischen Quantenkommunikationsnetze in Durban entwickelt. Dieser Meilenstein habe die bevorstehende Gründung des Stellenbosch Centre for Quantum Science and Technology unterstützt. „Kooperationen wie diese beschleunigen wissenschaftliche Durchbrüche, bauen lokales Know-how auf und ermöglichen die Umsetzung fortschrittlicher Quantenforschung in konkrete technologische Lösungen.“, kommentierte Petruccione den erzielten Forschungserfolg.
Aktueller Durchbruch in der Verschlüsselungstechnik
Auch in Deutschland werden dieser Tage Durchbrüche in der Quantentechnologie erreicht. Forschende des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, das Internetverbindungen schon heute vor der Quantentechnologie von morgen verlässlich schützen kann, berichtet das KIT am 2. April. Dies sei gemeinsam mit der Ludwig-Maximilians-Universität München, der Leibniz Universität Hannover, Kooperationspartnern aus der Wirtschaft und einer Förderung des Bundesministeriums für Bildung und Forschung (BMBF) im Umfang von 3,4 Millionen Euro gelungen.
"Wir konnten den Quantenschlüsselaustausch mit Standardhardware aus der Glasfaserkommunikation durchführen, wie sie beispielsweise bei Glasfaseranschlüssen in Häusern und Wohnungen verwendet wird, und nicht mit kostspieligen Spezialgeräten", erläutert Laurent Schmalen, Professor am Institut für Nachrichtentechnik des KIT. Dadurch sei binnen fünf Jahren ein flächendeckender Einsatz möglich. "So können wir das globale Telekommunikationsnetz abhörsicher machen", prognostiziert Schmalen.
Die deutsche Bundesregierung hat im April 2023 das "Handlungskonzept Quantentechnologien" vorgestellt, mit dem Ziel, Deutschland als führend in diesem Bereich zu positionieren und einen souveränen Zugang zu dieser Schlüsseltechnologie zu sichern. Parallel hat die Europäische Kommission vier Technologiebereiche identifiziert – darunter Quantentechnologien –, die ein hohes Risiko bergen, von autoritären Regimen missbraucht zu werden. Diese Einschätzung führte zu verstärkten Bemühungen, den Export und Import solcher Technologien strenger zu kontrollieren.
cva
