Quantenverschlüsselung erstmalig auf Langstrecke erfolgreich durchgeführt

Die Quantenkommunikation gilt als Schlüsseltechnologie für die sichere Datenübertragung der Zukunft. Der aktuelle Durchbruch in Deutschland mit internationaler Beteiligung zeigt nun, wie sich diese Vision mit bestehender Telekommunikationsinfrastruktur realisieren lässt. Das Forschungsteam um Mirko Pittaluga von Toshiba Europe hat hierbei demonstriert, dass sich diese Technologie nicht nur im Labor, sondern auch im realen Telekommunikationsnetz einsetzen lässt – und das über eine bislang unerreichte Distanz von 254 km zwischen Frankfurt am Main und Kehl.

„Quantennetzwerke bieten eine ganz neuartige Art der Sicherheit, die zumindest auf der Basis des quantenmechanischen Protokolls nicht zu knacken ist. Diese Idee ist nicht ganz neu und funktioniert auch schon in der Praxis: Die technische Herausforderung besteht darin, dies für beliebige Distanzen und multipartite Systeme zu erreichen“, erklärt Jens Eisert, Professor für theoretische Physik, Arbeitsgruppenleiter Quanten-Vielteilchentheorie, Quanten-Informationstheorie und Quantenoptik am Dahlem Center for Complex Quantum Systems an der Freien Universität Berlin.

Quantenverschlüsselungsprojekt nutzte Glasfasernetz der Deutschen Telekom

Im Mittelpunkt des Experiments stand die sogenannte Twin-Field Quantum Key Distribution (TF-QKD), ein relativ neues Protokoll, das 2018 theoretisch vorgeschlagen wurde. Es ermöglicht die sichere Übertragung kryptografischer Schlüssel zwischen zwei Parteien über große Entfernungen, ohne dass dabei ein zentraler Knotenpunkt kompromittiert werden kann. TF-QKD basiert auf der quantenmechanischen Eigenschaft von Interferenz: Zwei Lichtpulse, die jeweils von den entfernten Parteien ausgesendet werden, treffen in der Mitte aufeinander – in diesem Fall in einem „Messknoten“ in Darmstadt – und interferieren dort miteinander. Diese Interferenz erlaubt Rückschlüsse darauf, welche quantenmechanischen Zustände ursprünglich verschickt wurden, ohne dass diese Zustände selbst ausgelesen werden müssen.

Das Besondere an der Umsetzung dieses Prinzips in der aktuellen Arbeit ist die Wahl der Infrastruktur: Die Übertragung erfolgte nicht über speziell geschützte Glasfasern, sondern über das bestehende Glasfasernetz der Deutschen Telekom. Das bedeutet, dass die Quantenkommunikation mit herkömmlichen Kommunikationsdiensten koexistieren musste – ein Szenario, das bislang als besonders herausfordernd galt. Störungen, Temperaturschwankungen und Phasendrift durch die Umgebung erschweren die Stabilität des quantenmechanischen Signals erheblich.

Feldversuch kam ohne Kryokühlung aus

Um diese Hürden zu überwinden, nutzten die Forscher eine Kombination aus innovativer Phasensynchronisation, zeitlicher Stabilisierung und adaptiven Kalibrierungsalgorithmen. Zusätzlich setzten sie Detektoren ein, die bei Raumtemperatur arbeiten – also ohne teure Kryokühlung. Die sogenannten SNSPDs (Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors) wurden durch Avalanche-Photodioden ersetzt. Dabei handelt es sich um Halbleiter, die zwar eine geringere Effizienz haben, dafür aber weitaus praktikabel für den Alltagsbetrieb sind.

Die erzielte Schlüsselrate lag bei durchschnittlich 110 bit/s – auf den ersten Blick unspektakulär, für eine Quantenübertragung über mehr als 250 km dennoch ein technologischer Durchbruch. Der zentrale Vorteil der TF-QKD liegt in ihrer günstigen Skalierung mit der Entfernung. Während frühere QKD-Protokolle (wie BB84) exponentiell an Leistung verlieren, sobald die Distanz über rund 100 km hinausgeht, kann das neue Protokoll über mehrere Hundert Kilometer hinweg sicher kommunizieren.

Das ist ein entscheidender Schritt in Richtung eines Quanteninternets. Es könnte dadurch nämlich künftig Knotenpunkte in verschiedenen Städten miteinander verbinden und so ein Netzwerk aufbauen, das resistent gegen jede Form des Abhörens ist. Anders als bei klassischer Verschlüsselung, bei der Informationen lediglich mathematisch maskiert werden, macht sich Quantenkryptografie die Tatsache zunutze, dass jede Messung eines Quantenzustands diesen unwiderruflich verändert. Ein möglicher Angreifer – selbst wenn er einen hypothetischen Quantencomputer benutzt – könnte also keine Informationen abgreifen, ohne entdeckt zu werden.

Quantenverschlüsselung: Aktueller Durchbruch wichtig für Europa

Ein weiteres wesentliches Merkmal der Umsetzung in Frankfurt ist die Nutzung eines sogenannten „Measurement Device Independent“-Ansatzes. Das bedeutet, dass der zentrale Messknoten (in diesem Fall Darmstadt) nicht vertrauenswürdig sein muss. Selbst wenn er gehackt oder manipuliert wird, bleibt die Integrität der Schlüsselübertragung erhalten. Diese Architektur ist besonders interessant für den Einsatz in größeren Netzwerken, bei denen nicht jede Zwischenstation komplett kontrollierbar ist.

Neben dem technischen Erfolg hat das Projekt auch strategische Bedeutung. Europa – und insbesondere Deutschland – kann sich hiermit als Vorreiter in einer Technologie positionieren, die künftig eine zentrale Rolle für die digitale Souveränität spielen dürfte. Chinesische Teams haben zwar bereits ähnliche Versuche unternommen, etwa im Rahmen des „Micius“-Satellitenprojekts, doch die Integration in bestehende terrestrische Infrastrukturen stellt eine zusätzliche Komplexitätsstufe dar, die bisher kaum bewältigt wurde.

Viele Anwendungen für etliche Branchen möglich

Nicht zuletzt öffnet der Erfolg dieses Experiments neue Perspektiven für eine ganze Reihe von Anwendungen: Banken, Regierungen, Gesundheitswesen und Industrieunternehmen könnten in Zukunft auf quantenverschlüsselte Kommunikation setzen, um sich gegen Lauschangriffe und Datendiebstahl zu schützen. Die Herausforderung bleibt dabei, die Technologie weiter zu miniaturisieren, zu automatisieren und kosteneffizient zu gestalten. Der hier gewählte Ansatz, mit konventioneller Netzwerktechnik zu arbeiten, ist dabei nicht nur ein technologischer Beweis, sondern auch ein wirtschaftliches Argument. Insgesamt zeigt sich, dass Quantenkommunikation auf dem Sprung aus dem Forschungslabor in die praktische Welt ist.