Quantenkommunikation Roadmap skizziert den Weg zu weitreichenden Quantennetzwerken

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Fraunhofer-Institut für System- und Innovation- forschung (ISI)

FAULHABER Antriebssysteme

a.b.jödden gmbh

Das Fraunhofer ISI stellt eine Roadmap zur Entwicklung von Quantenrepeatern vor. Sie sollen Quanteninformationen über große Distanzen übertragen und so künftig abhörsichere Kommunikation sowie hochpräzise Sensornetzwerke ermöglichen.

Technologische Entwicklung war stets eng mit verfügbaren Ressourcen verknüpft – von Materialien und Energie bis hin zu Information und Daten. Mit dem Aufkommen der Quantentechnologien gewinnt eine weitere Ressource an Bedeutung: die Quanteninformation, also die Speicherung, Verarbeitung und Übertragung von Informationen in Quantenzuständen. Da sich diese Informationen im Gegensatz zu klassischen Telekommunikationssignalen aufgrund quantenmechanischer Prinzipien nicht beliebig kopieren oder verstärken lassen, sind bisherige Ansätze der Quantenkommunikation in Reichweite und Skalierbarkeit stark begrenzt. Sogenannte Quantenrepeater sollen diese Hürde künftig überwinden, indem sie die Verteilung von „Verschränkung“ über große Distanzen ermöglichen.

Eine neue Studie des Fraunhofer-Instituts für System- und Innovationsforschung (ISI) und der Universität des Saarlandes analysiert nun den aktuellen Stand der Forschung. Die im Schirmprojekt Quantenkommunikation Deutschland (SQuaD) entstandene Roadmap „Quantum Repeaters – A Technology Roadmap“ basiert auf umfassenden Literaturrecherchen, Interviews sowie einem Experten-Workshop mit 22 Vertretern aus Wissenschaft und Industrie. Sie zeigt auf, welche technologischen Entwicklungsschritte bis zu kommerziell nutzbaren Quantenrepeatern nötig sind.

Mythen und Fakten

Was Quantencomputer können – und was nicht

Potenziale für die Automatisierung und Sensorik

Als wichtigste kurzfristige Anwendung identifizieren die Autoren die Vergrößerung der Reichweite quantensicherer Kommunikation mittels Quantenschlüsselverteilung. Langfristig könnten die Repeater ein „Quanteninternet“ sowie verteiltes Quantencomputing ermöglichen, indem sie räumlich getrennte Quantencomputer miteinander verbinden. Besonders relevant für künftige Automatisierungslösungen ist zudem das enorme Potenzial für Quantensensornetzwerke, die beispielsweise bei hochpräzisen Zeit- und Messsystemen zum Einsatz kommen könnten.

Bislang hat sich keine dominante Hardware-Plattform durchgesetzt. Da jeder Ansatz spezifische Stärken und Herausforderungen aufweist, empfehlen die Experten, weiterhin mehrere technologische Pfade parallel zu verfolgen.

Verschiedene Hardware-Ansätze in der Erprobung

Laut der Roadmap entwickelt sich das Forschungsfeld weltweit dynamisch, befindet sich jedoch noch in einer frühen Phase. Bislang hat sich keine dominante Hardware-Plattform eindeutig durchgesetzt. Intensiv untersucht werden derzeit unter anderem Farbzentren in Diamant, einzelne oder große Ensembles gefangener Atome und Ionen, Seltenerd-Ionen sowie Quantenpunkte. Da jeder Ansatz spezifische Stärken und Herausforderungen – etwa bei Speicherzeiten, Effizienz oder Integrationsfähigkeit – aufweist, empfehlen die Experten, weiterhin mehrere technologische Pfade parallel zu verfolgen. Auch hybride Systeme könnten hierbei an Bedeutung gewinnen.

Bis zur industriellen Skalierung und Standardisierung sind noch erhebliche technologische Hürden zu nehmen. Dazu gehören vor allem die Erhöhung von Übertragungsraten sowie die Integration in bestehende Telekommunikationsinfrastrukturen.

Quantencomputing

Systemstillstand im Quantenrechner

Der Weg von heutigen Labor-Demonstrationen bis zu kommerziell einsetzbaren Quantenrepeatern wird noch lange sein.

Dr. Lukas Weymann vom Fraunhofer ISI

Erste Meilensteine bis 2035 erwartet

Noch vor dem Jahr 2035 erwarten die Forscher jedoch einen entscheidenden Meilenstein: die Demonstration von Quantenrepeatern, die Quanteninformationen mit geringeren Verlusten übertragen als direkte Verbindungen. Dr. Lukas Weymann vom Fraunhofer ISI, Erstautor der Studie, vergleicht die künftige Rolle der Quantenrepeater mit der von klassischen Repeatern in heutigen Telekommunikationsnetzen – jedoch auf Basis völlig anderer physikalischer Prinzipien.

„Der Weg von heutigen Labor-Demonstrationen bis zu kommerziell einsetzbaren Quantenrepeatern wird noch lange sein“, resümiert Weymann. Er betont die Notwendigkeit einer engen, langfristigen Zusammenarbeit zwischen Wissenschaft, Industrie und Politik. Die Grundvoraussetzungen für einen erfolgreichen Transfer in marktfähige Anwendungen seien jedenfalls vielversprechend, da sich durch die Hightech Agenda Deutschland und auf europäischer Ebene bereits ein starkes Quanten-Ökosystem etabliert hat, an das es nun anzuknüpfen gilt.

Cybersecurity

RISC-V-Sicherheitschip für vernetzte Geräte