Sogenannte Repeater erweitern die Reichweite von Datenübertragungen. An speziellen Repeatern forschen auch viele Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in Deutschland – allerdings nicht an solchen, die für ein paar Euro im Elektromarkt zu kaufen sind, um WLAN-Netze zu erweitern. Die Forschenden widmen sich vielmehr den ungleich komplexeren „Quantenrepeater“ für die sogenannten Quantennetzwerke.
Solche Netzwerke können in Zukunft – auch angesichts von immer mehr IT-Sabotageakten – von entscheidender Bedeutung für freie Gesellschaften und den Schutz kritischer Infrastruktur sein. Quantennetzwerke böten ein ganz neues Maß an Sicherheit. Denn aufgrund ihrer quantenphysikalischen Grundlagen sind diese extrem sicher vor Spionage oder Sabotage. Quantenrepeater, die eine sichere Übertragung von Informationen auch über größere Distanzen hinweg erlauben und dadurch Quantennetzwerke ermöglichen, liefern daher einen wichtigen Beitrag, um eine quantengesicherte IT-Infrastruktur zu errichten. Darüber hinaus vernetzen sie zukünftige Quantencomputer.
Im neu eingerichteten Forschungsprojekt „Quantenrepeater.Net (QR.N)“ arbeiten Partner aus Forschung und Industrie bei der Erforschung und Einrichtung von Quantennetzwerken zusammen. „Die Realisierung von Quantenrepeatern und perspektivisch von Ende-zu-Ende-Quantennetzwerken stellt eine enorme technische Herausforderung dar“, erklärt Quantenoptik-Professor Dr. Christoph Becher von der Universität des Saarlandes, Sprecher des Forschungsverbundes. Denn die Quantenzustände für die Kommunikation im Quantennetzwerk müssen mit hoher Qualität erzeugt, zwischengespeichert und möglichst verlustfrei übertragen werden.
Um aus einer einfachen Verbindung zwischen zwei Punkten ein ganzes Netzwerk entstehen zu lassen, braucht es Knotenpunkte, die diese Quantenzustände zwischenspeichern und für die Übertragung zum nächsten Knoten sorgen – eben die Quantenrepeater. Prof. Becher weiter: „Wir möchten zwischen zwei Endpunkten einer Netzwerkverbindung Zwischenknoten einrichten, an diesen Knoten Quantenspeicher einbauen und Gatteroperationen durchführen. Das soll einen Quantenvorteil bei der Übertragung erzielen und die Fehlerkorrektur für leistungsstärkere Quantenrepeater-Protokolle ermöglichen“.
Eine weitere Forschungsfrage von QR.N betrifft die Hardware, auf der das Quantennetzwerk basiert. Denn bisher gibt es noch keine Hardwarebasis, die sich durchgesetzt hat. Grundlage für Quantenspeicher und Quantennetzwerke können einzelne Atome und Ionen sein, oder Halbleiterstrukturen, künstliche Atome in Diamanten oder auch Selten-Erd-Atome. Zudem möchten die beteiligten Einrichtungen bestehende „klassische“ Kommunikationsnetzwerke mit Methoden der Quantenverschränkung, dem Grundprinzip der Quantentechnologie, unterstützen.
Die Arbeitsgruppe um Prof. Dr. Dagmar Bruß ist an der Theorie-Plattform von QR.N beteiligt: „Wir wollen neue Protokolle entwickeln, die die Verteilung von Verschränkung als Ressource für die klassische Kommunikation nutzen. Solche Protokolle setzen eine verschränkungsunterstützte Kommunikation ein, um beispielsweise die Resilienz oder Sicherheit von Kommunikationskanälen zu erhöhen.“
An der HHU sollen fundamentale Themen der sicheren Kommunikation in den Quantenrepeaternetzwerken weiterentwickelt werden. Zum einen soll die Mehrparteienschlüsselverteilung analysiert werden, unter anderem, um die maximal erreichbaren Repeater- und Schlüsselraten zu berechnen. Zum anderen soll die Verwendung von Verschränkung zur sogenannten superdichten Kodierung – mithilfe der quantenmechanischen Verschränkung werden doppelt so viele klassische Informationen kodiert – untersucht werden, insbesondere im Hinblick auf die Entwicklung zukünftiger 6G-Netze.
„Hier spielt die realitätsnahe Berücksichtigung von Rauscheffekten eine wichtige Rolle. Also: Wie robust ist die superdichte Kodierung unter verschiedenen Fehlermodellen?“, so Prof. Bruß. Eine zentrale neue Zielrichtung ist die Frage nach der Sicherheit dieses Verfahrens. Bruß: „Wir werden konzeptionelle Entwicklungsarbeit leisten, indem wir zunächst Analogien und Unterschiede zur Quantenschlüsselverteilung und deren Sicherheitsanalyseverfahren aufzeigen. Darauf basierend erstellen wir Sicherheitsanalysen für die superdichte Kodierung.“
Das Projekt Quantenrepeater.Net (QR.N)
Das Projekt startete am 1. Januar 2025. Es wird über drei Jahre vom BMBF mit insgesamt 20 Millionen Euro gefördert. Insgesamt arbeiten darin 42 Forschungseinrichtungen und Unternehmen zusammen, um die grundlegenden Bausteine einer auf Quantenrepeatern aufbauenden Quanten-Netzwerkstruktur zu entwickeln. Die HHU ist an dem Projekt beteiligt, gefördert wird eine dreijährige Forschungsstelle.
Das Projekt basiert auf Ergebnissen des ebenfalls BMBF-geförderten Projektes „Quantenrepeater.Link“ (QR.X). Dieses Vorgängerprojekt koordinierte ebenfalls die Universität des Saarlandes und es erforschte von 2021 bis Ende 2024 bundesweit die Grundlagen für die Entwicklung eines Quantenrepeaters. Schon an diesem Projekt war die HHU mit der Arbeitsgruppe von Prof. Bruß beteiligt und begann, neue Protokolle zu entwickeln, die die Verteilung von Verschränkung als Ressource für die klassische Kommunikation nutzen.
Weitere Informationen: BMBF-Seiten zum Projekt QR.N
