Dem abhörsicheren Versenden und Empfangen von Informationen kommen im heutigen Zeitalter der globalen Kommunikation eine immer wichtigere Bedeutung zu. Die gebräuchlichen Verschlüsselungsverfahren sind jedoch nicht mehr sicher, sobald der sich in der Entwicklung befindliche Quantencomputer Realität wird. Das vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderte Projekt QuPAD sucht nach einem möglichen Ausweg aus diesem Dilemma durch den Einsatz von quantenmechanischen Verfahren in der Kommunikation, wie z. B. der Quantenschlüssel-Verteilung (Quantum Key Distribution – QKD), mittels derer eine abhörsichere Kommunikation auf Basis physikalischer Eigenschaften möglich ist. Entsprechende Verfahren und Protokolle sind heute bekannt, leiden aber unter Reichweiten- und insbesondere Geschwindigkeitsproblemen in der Erzeugung der geheimen Schlüssel, was den alltäglichen Einsatz noch unpraktikabel macht.
Heutige Verfahren zur Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) nutzen Photonen als Informationsträger. Die Photonen werden dabei üblicherweise von einem Sender in geeigneter Weise erzeugt, zum Empfänger geschickt und dort mit einzelnen, höchst sensitiven Detektoren nachgewiesen und verarbeitet. Die Anzahl der parallel arbeitenden Detektoren beträgt üblicherweise 2 bis 4, was zu einer Beschränkung der möglichen Anzahl der pro Sekunde detektierbaren Photonen und damit der Schlüsselerzeugungsrate führt.
Parallele Detektionskanäle für höhere Verschlüsselungsraten
Im Rahmen des QuPAD-Projekts haben sich mit den drei Partnern Entropy GmbH aus München, dem Physikalischen Institut der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster (WWU) und der PicoQuant GmbH aus Berlin zwei Unternehmen sowie ein Forschungsinstitut zusammengefunden mit dem Ziel, die Schlüsselerzeugungsrate in einem geeigneten QKD-Protokoll signifikant zu erhöhen. Kern des von PicoQuant geleiteten Projekts „Ultraschnelle Quantenschlüssel-Verteilung durch Parallelisierung der Detektionskanäle (QuPAD)“ ist die Erforschung von zwei neuartigen Komponenten, mittels derer einzelne Photonen in 64 parallel arbeitenden Kanälen höchsteffizient und präzise detektiert und verarbeitet werden können.
Dies soll durch die Entwicklung eines Detektorarrays mit sehr hoher Einzelphotonenempfindlichkeit für die in der Praxis wichtigen Telekommunikationswellenlängen im Nahinfrarot (WWU Münster und Entropy) sowie einer dazu passende Elektronik zur pikosekundengenauen Bestimmung der Photonenankunftszeiten (PicoQuant) umgesetzt werden. Auf diese Weise entstehen viele unabhängig voneinander arbeitende, höchst sensitive Detektionskanäle in Form einer Matrix, mittels derer in einem geeigneten QKD-Protokoll Verschlüsselungsraten erzielt werden können, die um Größenordnungen höher sind als bisher möglich.
Modularer Ansatz soll vielfältige Anwendung ermöglichen
Durch den angestrebten modularen Ansatz lassen sich die Schlüsselkomponenten darüber hinaus in einer Vielzahl von Anwendungen in und neben den optischen Quantentechnologien, zum Beispiel bildgebende Verfahren in der Optik und Biologie, Detektion von Fertigungsfehlern in der Prozesstechnik, Deep Space Communication, LIDAR, aber auch in Anwendungen im Bereich der Erforschung des Quantencomputers einsetzen.
Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert das Projekt QuPAD im Rahmen der Förderinitiative „Schlüsselkomponenten für Quantentechnologien“ über einen Zeitraum von rund drei Jahren mit 2,2 Millionen Euro.
Weitere Informationen
Kurzvorstellung des Projekts QuPAD
Förderinitiative Schlüsselkomponenten für Quantentechnologien