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Grundlagen für interkontinentales Quantennetzwerk
Redaktion
/ idw / Pressemitteilung des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und
Feinmechanik
astronews.com
18. Oktober 2022
Gemeinsam wollen Forschende aus Europa und Kanada die
Grundlage für ein interkontinentales Netzwerk zur Quantenkommunikation schaffen.
Im Rahmen des Projektes HYPERSPACE soll dabei speziell die Verteilung
verschränkter Photonen via Satellit erforscht werden. Das Forschungsvorhaben ist
nun in seine dreijährige Projektlaufzeit gestartet.
Das Projekt HYPERSPACE will die Grundlagen
für den Austausch verschränkter Photonen über
Satelliten erforschen.
Bild: NASA Goddard Space Flight Center [Großansicht] |
Auf kurzen Distanzen sind verschränkte Photonen bereits in verschiedenen
Experimenten erfolgreich ausgetauscht worden. Doch der interkontinentale und
damit potenziell globale Austausch ist nach wie vor eine Herausforderung. Dem
stellt sich das neue Forschungsprojekt HYPERSPACE. Gemeinsam wollen Forschende
aus Europa und Kanada hier die Grundlage für eine kanadisch-europäische
Verbindung schaffen. Die strategische Zusammenarbeit richtet ihr Augenmerk dabei
auf die Erforschung integrierter Quantenphotonik sowie optischer
Weltraumkommunikation zugunsten eines satellitengestützten Quantennetzwerkes
zwischen den Kontinenten.
Weltweit gibt es immer wieder Experimente, um verschränkte Photonen über
möglichst weite Distanzen auszutauschen, z. B. mittels Freistrahl durch die Luft
oder über im Boden verlegte Glasfasern. Allerdings schränken das
Detektorrauschen sowie die unvermeidlichen Verluste bei einer faserbasierten
Übertragung die Reichweite terrestrischer Übertragung derzeit noch auf einige
hundert Kilometer ein. In Zukunft könnten sogenannte Quanten-Repeater
Verschränkungen auch über längere Faserstrecken ermöglichen. Jedoch stehen
Forschende noch vor einer Vielzahl technologischer Herausforderungen bis eine
hinreichende Steigerung der Reichweite, wie sie für ein globales Netzwerk nötig
wäre, möglich wird.
Die Lösung: der direkte Austausch von verschränkten Photonen im Weltraum via
optischer Satellitenverbindungen. Das übergreifende Ziel von HYPERSPACE ist es
daher, die satellitengestützte Quantenkommunikation anhand von Experimenten zu
skalierbaren globalen Quantennetzwerken weiterzuentwickeln. Zu diesem Zweck
umfasst HYPERSPACE die Forschung und Innovation entlang der gesamten
Prozesskette der photonischen Quantenkommunikation: von der rauschresistenten
Zustandscodierung über vollständig fasergebundene und photonisch integrierte
Quantenlichtquellen sowie freiraumkompatible Zustandsanalysatoren bis hin zur
Implementierung fortgeschrittener Protokolle, die durch die Nutzung der
Verschränkung in mehreren Freiheitsgraden – der sogenannten Hyperverschränkung –
erleichtert oder sogar erst ermöglicht werden.
An dem Projekt sind insgesamt acht Partner aus Europa und Kanada beteiligt:
Neben dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF sind
dies die Università degli Studi di Pavia und Università degli Studi
di Padova, beide Italien, das Commissariat à l'énergie atomique et aux
énergies alternatives CEA-LETI, Frankreich, die Technische Universität
Wien, Österreich, das Institut National de la Recherche Scientifique
sowie die University of Toronto und University of Waterloo,
alle Kanada. Koordiniert wird das Forschungsvorhaben durch das Fraunhofer IOF in
Jena. Das Projekt wird von der Europäischen Kommission (im Rahmen des Programmes
Horizont Europa) sowie dem Natural Sciences and Engineering Research Council
of Canada (NSERC) mit 2,8 Millionen Euro kofinanziert.
Die Quantenverschränkung, die einst von Albert Einstein noch als "spukhafte
Fernwirkung" beschrieben wurde, gilt heute als Schlüsselressource für neuste
Anwendungen in der Informationsverarbeitung und Sensorik. Ein globales
Quanteninternet kann deutlich verbesserte, bisher sogar undenkbare Anwendungen
ermöglichen, wie z. B. eine präzisere Synchronisation von Uhren, ein
hocheffizientes Cloud-Computing oder auch eine hochsichere Datenübertragung
mittels Quantenkryptographie. Im Gegensatz zu konventionellen
Kryptographie-Verfahren, die Sicherheit durch den mit einer Entschlüsselung
verbundenen Rechenaufwand gewähren, basiert die Sicherheit der
Quantenkryptographie auf physikalischen Prinzipien.
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