Die Forschung an Quantenrepeatern, wichtigen Komponenten für zukünftige quantengesicherte Netzwerke, hat mit dem Projekt „Quantenrepeater.Net (QR.N)“ eine neue Dimension erreicht. Am 1. Januar 2025 gestartet, wird dieses Vorhaben, das vom Bundesforschungsministerium gefördert wird, über drei Jahre mit 20 Millionen Euro unterstützt. Ziel ist es, Fortschritte bei der Entwicklung sicherer Quantennetzwerke zu erzielen, um die Informationsübertragung über große Distanzen zu gewährleisten.
Im Rahmen des Projekts sind 42 Partner aus Forschung und Industrie engagiert. Die Universität Kassel beteiligt sich mit zwei Teilprojekten unter der Leitung renommierter Wissenschaftler: Prof. Dr. Mohamed Benyoucef erforscht „Telekom-C-Band InP-basierte Quantenpunktstrukturen und Quantenpunktmolekülen“, während apl. Prof. Dr. Cyril Popov „Diamantbasierte photonische Nanostrukturen mit gekoppelten Farbzentren“ untersucht. Beide Ansätze sind entscheidend für die Entwicklung neuer Technologien zur Erzeugung qualitativ hochwertiger Quantenzustände, die für sichere Kommunikationssysteme benötigt werden.
Die Bedeutung von Quantenkommunikation
Quantenkommunikation hat sich als Schlüsseltechnologie für die Sicherheit der Datenübertragung herauskristallisiert. Sie bietet einen zuverlässigen Schutz vor modernen Bedrohungen, insbesondere von Quantencomputern. Sicherheit beruht hierbei auf fundamentalen physikalischen Prinzipien, die es ermöglichen, ausgetauschte Schlüssel physikalisch sicher zu gestalten. Quantenrepeater erweitern diese Möglichkeiten, indem sie Quantenzustände über längere Strecken transportieren und sicher speichern.
In der Forschung wird intensiv an der Entwicklung von Quantenrepeater-Strecken mit mehr als zwei Knoten gearbeitet. Es sollen parallele Quantenkanäle mittels Multiplexing eingerichtet werden, um einen Quantenvorteil bei der Übertragung zu erzielen. Diese Entwicklungen sind entscheidend für die Implementierung von Fehlerkorrektur in leistungsstarken Quantenrepeatern.
Technologische Herausforderungen und Perspektiven
Trotz der vielversprechenden Ansätze stehen die Wissenschaftler vor technisch herausfordernden Aspekten. Aktuell gibt es keine etablierte Hardware-Basis für Quantenspeicher und -netzwerke. Das Konsortium innerhalb des Projekts ist darauf angewiesen, plattformübergreifende Methoden und hybride Systeme zu entwickeln. Hierbei wird auch der Einsatz verschiedener physikalischer Systeme, wie Atomen, Ionen, Halbleiter-Quantenpunkten und Farbzentren in Diamanten, untersucht.
Quantenspeicher-Systeme, wie etwa Selten-Erd-Ionen, werden ebenfalls betrachtet. Diese Technologien sollen nicht nur die Kommunikation zwischen Behörden und kritischen Infrastrukturen sichern, sondern auch die Perspektive für die Zukunft von Quantenkommunikation bieten. Die Vision umfasst langreichweitige Quantennetze, die mit verschränkten Quantenzuständen arbeiten und somit die bisherigen Grenzen der Quantenkommunikation überwinden könnten.
Marktentwicklungen und strategische Bedeutung
Vor dem Hintergrund der Herausforderungen betont eine Studie des Fraunhofer ISI und der Universität des Saarlandes die strategische Wichtigkeit von Quantenkommunikation in Deutschland und weltweit. Die Studie, gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung, untersucht die Marktreife, Vor- und Nachteile sowie Wachstumsraten von Technologien in diesem Bereich. Prognosen deuten auf einen globalen Umsatz in der Quantenkommunikationsbranche hin, der von 1,7 Milliarden Euro im Jahr 2023 auf 5,8 Milliarden Euro bis 2030 steigen könnte, mit jährlichen Wachstumsraten zwischen 15 und 25 Prozent.
Angesichts der Bedrohungen durch Quantencomputer müssen kritische Technologien gesichert werden. Dies erfordert Investitionen in Infrastruktur, technologische Entwicklungen und die Schaffung eines Bewusstseins für IT-Sicherheitsrisiken. Die Herausforderungen sind vielfältig, erfordern jedoch eine enge Zusammenarbeit innerhalb der EU und ein strategisches Vorgehen. Langfristig könnte die Förderung von Quantentechnologien nicht nur die technologischen Grundlagen in Deutschland stärken, sondern auch die technologische Souveränität festigen.
Die Initiative zur Forschung über Quantenrepeater und Quantenkommunikationstechnologien ist daher nicht nur ein wissenschaftliches Unterfangen, sondern stellt auch einen entscheidenden Schritt zur Absicherung einer digitalen Zukunft dar, die fest in quantensicheren Kommunikationsstrukturen verwurzelt ist.
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