Künftiges Quanteninternet: Verschlüsseln mit Quantenphysik - KIT eröffnet Testanlage

Die Welt der Quanten ist winzig, aber super wichtig. Gerade für abhörsichere Kommunikation in einer immer stärker vernetzten Welt. Für die Forschung ist nun die Grundlage buchstäblich gelegt.

Vertrauliche Daten zu Patienten, Bankverbindungen oder hochsensible Informationen von Regierungen und Militärs müssen immer besser vor Lauschangriffen und Hackern geschützt werden. Die nötige Grundlage dafür liefert Quantenphysik, die über herkömmliche mathematische Techniken zur Verschlüsselung weit hinausgeht. Denn in der unvorstellbar winzigen Welt der Quanten gelten eigene Regeln: So ändert sich oft der Zustand eines Teilchens, sobald man es beobachtet. Das ist ideal für Quantenkryptografie.

Lichtleitender Kern dünner als ein Haar

Das Karlsruher Institut für Technologie (KIT) will die Forschung und Entwicklung von Quantennetzwerken vorantreiben. Dafür hat die Universität eine 20 Kilometer lange Glasfaser-Teststrecke zwischen speziell ausgestatteten Laboren am Campus Süd und Campus Nord verlegen lassen. 

Sie hat einer Sprecherin zufolge einen Durchmesser von 125 Mikrometern, also etwas mehr als 0,01 Zentimeter. Der lichtleitende Kern sei sogar nur etwa 9 Mikrometer dünn. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist je nach Angaben um die 60 Mikrometer dick.

Über die Teststrecke können laut KIT sogenannte Quantenschlüssel übertragen werden, die für eine abhörsichere Kommunikation entscheidend sind. Und die wiederum sei für eine vernetzte Gesellschaft von zentraler Bedeutung.

Bedrohung durch Quantencomputer unterschätzt

"Quantenkommunikation ist eine Schlüsseltechnologie für zukünftige Sicherheit in der Datenübertragung", heißt es beim Bundesministerium für Bildung und Forschung. "Sie kann sowohl vor Attacken mittels moderner Computer als auch durch leistungsstarke Quantencomputer schützen." 

Hintergrund ist, dass Quantencomputer ganz anders als traditionelle Rechner arbeiten - und zwar mit sogenannten Qubits. Wie ein Bit in einem klassischen Computer kann ein Qubit im Zustand 1 oder 0 sein - aber auch gleichzeitig im Zustand 1 und 0 oder in theoretisch unendlich vielen Zuständen dazwischen. 

Quantencomputer können daher gut Probleme lösen, die für klassische Computer äußerst schwierig sind. Zum Beispiel können sie besser komplexe chemische Systeme simulieren oder optimale Routen schneller berechnen. 

Wiederum kann man damit relativ leicht bisherige Verschlüsselungen, die auf mathematischen Annahmen beruhen, brechen. Laut dem Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) wird die Bedrohung der Informationssicherheit durch Quantencomputer weithin unterschätzt.

Forschung für das künftige Quanteninternet 

Wie wichtig solche Technologien sind, hatte Kanzler Olaf Scholz (SPD) im Herbst in Ehningen bei Stuttgart bei der Eröffnung des ersten Quanten-Rechenzentrums des US-Technologiekonzerns IBM in Europa betont. In solchen Bereichen dürfe man nicht von anderen Ländern abhängig sein.

Das KIT möchte die neue Teststrecke mit der Zeit zu einem Quantennetzwerk ausbauen. Mit dieser Hilfe sollen Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen Elemente des künftigen Quanteninternets erforschen können. 

Das Projekt sei eine zentrale Infrastruktur der Exzellenzcluster-Initiative "Chem4Quant". Forschende des KIT sowie der Universitäten Ulm und Stuttgart wollen neuartige Qubit-Materialien und erste Bauteile für das Quanteninternet entwickeln. "Mit chemisch exakt definierbaren Quantenarchitekturen lassen sich atomgenaue Materialstrukturen und ihre Quanteneigenschaften gezielt planen", heißt es dazu. So könnten Qubits etwa in elektrischen Bauteilen mit einer Präzision unterhalb des Nanometerbereichs positioniert werden.

Wichtige Durchbrüche erzielt

Zudem sei die Anlage für die Forschung zu sogenannten Quantenrepeatern wichtig. Diese sollen eine sichere Übertragung von Informationen auch über größere Distanzen hinweg erlauben - ähnlich wie WLAN-Repeater. 

Das Bundesforschungsministerium fördert ein Anfang Januar gestartetes Projekt hierzu über drei Jahre mit insgesamt 20 Millionen Euro. Dabei arbeiten nach Angaben der Universität des Saarlandes 42 Forschungseinrichtungen und Unternehmen zusammen, um die grundlegenden Bausteine einer auf Quantenrepeatern aufbauenden Quanten-Netzwerkstruktur zu entwickeln.

Laut dem BSI ist die zentrale Herausforderung bei Quantencomputern die Fehleranfälligkeit: "Quantensysteme sind sehr empfindlich gegenüber Störungen und bedürfen daher einer aufwendigen Fehlerkorrektur, die als Quantenfehlerkorrektur bezeichnet wird." In jüngster Zeit habe es hier eine Fülle an Entwicklungen gegeben, die einen kryptoanalytisch relevanten Quantencomputer in knapp zehn Jahren möglich machen könnten.