Deut­sche Fach­com­mu­ni­ty der Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on trifft sich in Bad Hon­nef

SQuaD und QR.X luden zu einem gemein­sa­men Work­shop in Bad Hon­nef:

Vom 22. bis 24. Febru­ar 2023 fand sich ein Groß­teil der deut­schen Fach­com­mu­ni­ty der Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on im Phy­sik­zen­trum Bad Hon­nef (PBH) ein –

Das aus dem 19. Jahr­hun­dert stam­men­de Stifts­ge­bäu­de des Phy­sik­zen­trums bot einen ehr­wür­di­gen und mit dem ange­schlos­se­nen Tagungs­zen­trum zugleich moder­nen Rah­men für die Ver­an­stal­tung. Um den Aus­tausch anzu­re­gen, hat­ten das Ver­bund­pro­jekt QR.X und das Schirm­pro­jekt SQuAD des deut­schen Inno­va­ti­ons­hubs für Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on zu einer gemein­sa­men Kon­fe­renz ein­ge­la­den. An der Kon­fe­renz nah­men rund 80 Per­so­nen vor Ort teil; zusätz­lich schal­te­ten sich in der Spit­ze über 30 Per­so­nen zu der Live­über­tra­gung dazu. Nach einer kur­zen Begrü­ßung berich­te­te Prof. Dr. Chris­toph Becher zuerst aus dem Ver­bund­pro­jekt „Quantenrepeater.Link (QR.X)“. Ziel des Vor­ha­bens ist die Demons­tra­ti­on von grund­le­gen­den Ele­men­ten und Funk­tio­nen von Quan­ten­re­pea­tern und deren Ein­satz unter rea­len Bedin­gun­gen. In QR.X wer­den in drei Tech­no­lo­gie­strän­gen neue und inno­va­ti­ve Ansät­ze erforscht: (1) auf Basis von gefan­ge­nen Ato­men und Ionen, (2) mit­tels Quan­ten­sys­te­men in Dia­man­ten sowie (3) in Halb­lei­tern­a­no­struk­tu­ren, die in der Ent­wick­lung von Kom­po­nen­ten für Quan­ten­re­pea­ter mün­den. Die For­schungs­teams konn­ten nach­wei­sen, dass ein asyn­chro­nes Sche­ma zur Ver­schrän­kungs­ver­tei­lung die vor­her­ge­sag­ten gerin­ge­ren Ver­lus­te bei der Quan­ten­schlüs­sel­ver­tei­lung bestä­tigt und dass die Erhö­hung der Kohä­renz­zeit prin­zi­pi­ell die Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on über grö­ße­re Ent­fer­nun­gen ermög­licht. „Der nächs­te Schritt lau­tet: Wir müs­sen die Labo­re ver­las­sen. Es gilt nun, in Faser­test­stre­cken die Anwen­dung aktiv zu prü­fen, um die Vor­tei­le des Quan­ten­re­pea­ters prak­tisch zu demons­trie­ren. Wir wer­den mit Mul­ti­plex­ing ver­su­chen, die Daten­ra­te wei­ter zu erhö­hen“, fass­te Prof. Becher den aktu­el­len Stand von QR.X zusam­men.

Im Anschluss prä­sen­tier­te Dr. Thors­ten Goe­bel die vier Anwen­dungs­ge­bie­te der For­schungs­in­itia­ti­ve QuN­ET. Als eine vom Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Bil­dung und For­schung geför­der­te Initia­ti­ve schafft QuN­ET die Grund­la­ge für siche­re und robus­te IT-Net­ze auf Basis von Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on. Bis zum Jahr 2026 soll der Anteil von For­schen­den schritt­wei­se zuguns­ten betei­lig­ter Indus­trie­part­ner redu­ziert wer­den, um einen mög­lichst rei­bungs­lo­sen und schnel­len Wis­sens­trans­fer in die Wirt­schaft zu ermög­li­chen. Ein wich­ti­ges Schlüs­sel­ex­pe­ri­ment steht für Juni 2023 auf der Tages­ord­nung. Hier soll ein Quan­ten­schlüs­sel­aus­tausch auf einer Punkt-zu-Punkt-Ver­bin­dung in Jena demons­triert wer­den − sowohl per Frei­strahl als auch per Glas­fa­ser.

Deutsch­land bün­delt seit Ende 2022 sei­ne Kom­pe­ten­zen im Inno­va­ti­ons­hub für Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on. Die­ser Hub wird vom „Schirm­pro­jekt Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on Deutsch­land“ (SQuaD) koor­di­niert. „Ziel des Schirm­pro­jekts ist es, eine zen­tra­le Anlauf­stel­le für Exper­ti­se und Infra­struk­tur zur Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on in Deutsch­land zu eta­blie­ren“, erklärt Dr. Nico­las Speth­mann die Auf­ga­ben­stel­lung von SQuaD. Dazu wer­den Akteu­re aus For­schung und Indus­trie und Pro­jek­te wie QuN­ET, QR.X und DivQ­Sec, zusam­men­ge­führt und bestehen­de For­schungs­auf­bau­ten der Part­ner zu öffent­lich nutz­ba­ren Prüf­stre­cken für Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­ons­tech­no­lo­gie erwei­tert. Die Phy­si­ka­lisch-Tech­ni­sche Bun­des­an­stalt (PTB) und das Bun­des­amt für Sicher­heit in der Infor­ma­ti­ons­tech­nik (BSI) brin­gen dar­über hin­aus zen­tra­le Aspek­te aus der Metro­lo­gie und Cyber­si­cher­heit in den Hub ein.

SQuaD bringt durch Akti­vi­tä­ten wie die deutsch­land­wei­te Koor­di­na­ti­on, Sicher­stel­lung von Tech­no­lo­gie- und Wis­sens­trans­fer, Nut­zung von For­schungs­in­fra­struk­tu­ren, Moni­to­ring, Road­map­ping und Zukunfts­pla­nung die Akteu­re der Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on im Inno­va­ti­ons­hub und dar­über hin­aus zusam­men.

Im Anschluss stell­ten sich meh­re­re indus­trie­ge­führ­ten Pro­jek­te des Inno­va­ti­ons­hubs vor. Als Ver­bund­ko­or­di­na­tor von DE-QOR infor­mier­te Dr. Tobi­as Fehen­ber­ger (ADVA Opti­cal Net­wor­king) über die For­schungs­schwer­punk­te des Vor­ha­bens. Ziel des Pro­jekts „Ent­wick­lung hoch­per­for­man­ter Über­tra­gungs­kom­po­nen­ten für quan­ten­si­che­re Kom­mu­ni­ka­ti­on über Glas­fa­ser­lei­tun­gen in Metro- und Weit­ver­kehrs­net­zen“ (DE-QOR) ist die Wei­ter­ent­wick­lung bestehen­der QKD-Ansät­ze basie­rend auf kohä­ren­ter opti­scher Über­tra­gungs­tech­nik (Con­ti­nuous Varia­ble QKD, CV-QKD). „Nicht nur aus indus­tri­el­ler Sicht wäre es von Vor­teil, wenn es gelingt, bereits bestehen­de Infra­struk­tur bzw. Kom­mu­ni­ka­ti­ons­net­ze für die Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on zu ver­wen­den“, beschrieb Dr. Fehen­ber­ger die wich­tigs­te Auf­ga­be des Pro­jekts. Nach­ge­la­gert sol­len zen­tra­le Kom­po­nen­ten auf Sen­der- und Emp­fän­ger­sei­te ent­wi­ckelt und zu kom­pak­ten Sys­te­men inte­griert wer­den. Hier­zu zäh­len sowohl opti­sche Modu­le als auch die dazu­ge­hö­ri­ge Elek­tro­nik, deren Firm­ware durch Fern­war­tung ste­tig aktua­li­sier­bar und opti­mier­bar sein soll. „Hier steht das Pro­jekt noch vor gro­ßen Her­aus­for­de­run­gen und es gibt noch zu über­win­den­de Dis­kre­pan­zen zwi­schen dem theo­re­ti­schen Model und den aktu­ell ein­ge­setz­ten Modu­len“, fass­te Dr. Fehen­ber­ger den aktu­el­len Stand im Vor­ha­ben zusam­men.

Als Ver­bund­ko­or­di­na­tor von Demo­QuanDT refe­rier­te Dr. Felix Wis­sel von der Deut­schen Tele­kom AG. Das Pro­jekt kann als deut­scher Bei­trag für ein euro­pa­wei­tes Glas­fa­ser­netz für Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on gese­hen wer­den. Kenn­zeich­nend für das Vor­ha­ben ist, dass weni­ger For­schung an sich betrie­ben wird, son­dern stär­ker Tes­tun­gen auf bestehen­den Glas­fa­ser­net­zen durch­ge­führt wer­den. 

„Wir beschäf­ti­gen uns mit der Fra­ge, was für einen semi­au­to­ma­ti­schen Betrieb eines sol­chen Sys­tems erfor­der­lich ist“, beschrieb Dr. Felix Wis­sel die Haupt­auf­ga­be des Pro­jekts. Gegen Ende des Jah­res 2023 soll das Pro­jekt die Labor­um­ge­bung ver­las­sen und die Instal­la­ti­on von Demons­tra­to­ren auf einer Test­stre­cke zwi­schen Bonn und Ber­lin soll begin­nen. Dass der dabei aus­ge­wähl­te Stre­cken­ver­lauf bereits im 19. Jahr­hun­dert als opti­sche Signal­stre­cke erfolg­reich ver­wen­det wur­de, führ­te zu einem Schmun­zeln im Sit­zungs­saal.

Das Indus­trie­vor­ha­ben Quant-ID hat zum Ziel, Ende-zu-Ende-Lösun­gen für zuver­läs­si­ge digi­ta­le Iden­ti­tä­ten mit­tels Post-Quan­ten-Kryp­to­gra­fie zu erfor­schen. Dabei soll die weit­ver­brei­te­te „Iden­ti­ty Access Management“-Architektur genutzt wer­den, die in heu­ti­gen Net­zen den Zugriff auf bestimm­te vor­de­fi­nier­te Daten bestimmt. So soll der Über­gang von klas­si­schen Ver­schlüs­se­lungs­al­go­rith­men zu quan­ten­si­che­ren Ver­fah­ren erleich­tert wer­den. Außer­dem soll ein quan­ten­si­che­rer „Single-Sign-On“-Ansatz ent­wi­ckelt wer­den, der den Zugriff auf ver­schie­de­ne Diens­te mit einer ein­zi­gen zen­tra­len Anmel­dung ermög­licht.

Die Ent­wick­lung eines auf Linux basie­ren­den Quan­ten­zu­falls­ge­nera­tors, der die zur Ver­schlüs­se­lung nöti­gen Zufalls­zah­len mit hoher Güte lie­fert, ist eine wei­te­re Auf­ga­ben­stel­lung. Somit haben die Pro­jekt­er­geb­nis­se eine hohe Bedeu­tung ins­be­son­de­re für Wirt­schafts­zwei­ge wie Online-Han­del oder Finan­zen.

Eine immer grö­ße­re Zahl von Gerä­ten ver­fügt über einen Inter­net­zu­gang, wodurch die­se sich mit- und unter­ein­an­der aus­tau­schen. Die­ses „Inter­net der Din­ge“ und der damit ein­her­ge­hen­de zuneh­men­de Aus­tausch von Daten stellt immer höhe­re Anfor­de­run­gen an die Sicher­heit der Kom­mu­ni­ka­ti­ons­netz­wer­ke. Das Ver­bund­pro­jekt „Quan­tum Inter­net of Things (QUIET)“ hat das Ziel, ein hybri­des quan­ten-kon­ven­tio­nel­les Kom­mu­ni­ka­ti­ons­netz­werk zu ent­wi­ckeln. Im Zusam­men­spiel von ver­teil­ten Quan­ten­zu­stän­den und kon­ven­tio­nel­ler Über­tra­gung sol­len (Quanten)-Sensoren ver­netzt wer­den. So soll die Leis­tungs­fä­hig­keit und Sicher­heit des Netz­werks deut­lich gestei­gert wer­den. Dabei wer­den alle Ebe­nen des Netz­werks, von der phy­si­ka­li­schen Schicht bin hin zu Netz­werk­pro­to­kol­len, betrach­tet.

Der zwei­te Kon­fe­renz­tag knüpf­te mit der Vor­stel­lung wei­te­rer indus­trie­ge­führ­ter Pro­jek­te naht­los an das Ende des Vor­tags an: Dr. Ric­car­do Bas­so­li berich­te­te aus dem Pro­jekt 6G-QuaS und Dr. Kevin Füch­sel von Quan­tum Optics Jena aus Q‑Fiber. Das Ver­bund­pro­jekt „6G-Quan­tum Secu­ri­ty (6G-QuaS)“ hat das Ziel, ein hybri­des quan­ten-kon­ven­tio­nel­les kabel­ge­bun­de­nes Indus­trie­netz­werk zu ent­wi­ckeln. Hier­bei soll die Quan­ten­in­for­ma­ti­on kon­ti­nu­ier­lich in der Pha­se und Ampli­tu­de des Lichts und nicht, wie in der aktu­el­len For­schung üblich, dis­kret in des­sen Pola­ri­sa­ti­on gespei­chert wer­den. Ziel des Vor­ha­bens „Pro­duk­ti­ves Vier-Par­tei­en QKD-Test­bed zur Ent­wick­lung eines gebün­del­ten Quan­ten- und Kom­mu­ni­ka­ti­ons­ka­nals mit­tels inno­va­ti­ver Hohl­kern­fa­sern (Q‑Fiber)“ ist es, Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on in einem Netz­werk mit meh­re­ren Kom­mu­ni­ka­ti­ons­teil­neh­mern, bei­spiel­haft im Medi­zin­sek­tor, zu demons­trie­ren. Zwi­schen den Netz­werk­teil­neh­mern sol­len Gesund­heits­da­ten mit­tels ver­schränk­ter Licht­quan­ten ver­schlüs­selt aus­ge­tauscht wer­den.

Haupt­the­ma des sich anschlie­ßen­den Berichts­punkts waren die Per­spek­ti­ven von Zer­ti­fi­zie­rung und Stan­dar­di­sie­rung von QKD-Sys­te­men. Zunächst erläu­ter­te Dr. Dirk Fischer (BSI) die Grund­la­gen einer Zer­ti­fi­zie­rung. Er emp­fiehlt, schon in einer frü­hen Pha­se die Zer­ti­fi­zie­rungs­stel­len ein­zu­be­zie­hen, ggf. sogar ent­wick­lungs­be­glei­tend. Gene­rell sind in einem Zer­ti­fi­zie­rungs­ver­fah­ren drei Par­tei­en invol­viert: Ent­wick­ler, Prüf­la­bo­re und Zer­ti­fi­zie­rungs­stel­len.

Hier­nach zeig­te Imran Khan von der KEE­Quant GmbH die Ent­wick­lung von QKD-Sys­te­men von den 1960er Jah­ren bis heu­te auf und erläu­ter­te die unter­schied­li­chen Bedar­fe von Wis­sen­schaft und Netz­werk­be­trei­bern. Um QKD-Sys­te­me in Hoch­si­cher­heits­be­rei­chen ein­zu­set­zen, sei eine Zer­ti­fi­zie­rung in jedem Fall not­wen­dig.

Die­sen Blick aus Sicht der Indus­trie führ­te Dr. Tobi­as Fehen­ber­ger (ADVA) wei­ter aus: Wunsch der meis­ten Unter­neh­men sei die Schaf­fung von Pro­to­kol­len, um eine stan­dar­di­sier­te Inter­ope­ra­bi­li­tät unter­schied­li­cher Sys­te­me zu errei­chen. Aktu­ell sei dies noch nicht der Fall. Auch wür­den die Sicher­heits­be­wei­se aus der For­schung nicht unbe­dingt mit der Indus­trie­rea­li­tät zusam­men­pas­sen. Eine gewis­se Zurück­hal­tung bei der Inves­ti­ti­on in sol­che Sys­te­me sei daher die Fol­ge, da aktu­ell die Post-Quan­ten-Kryp­to­gra­fie bis auf Wei­te­res eine güns­ti­ge­re Lösung dar­stel­le. Dr. Fehen­ber­ger erwar­tet, dass QKD-Sys­te­me und Post-Quan­ten-Kryp­to­gra­fie in Zukunft zusam­men ein­ge­setzt wer­den.

Anschlie­ßend stell­te Dr. Tobi­as Hem­mert die Per­spek­ti­ve des BSI vor: Für die Sicher­heit und damit für die Zer­ti­fi­zie­rung sei Stan­dar­di­sie­rung essen­zi­ell. Er rät den Unter­neh­men und For­schungs­ein­rich­tun­gen, die Exper­ti­sen zu bün­deln, da die QKD-Com­mu­ni­ty zah­len­mä­ßig ver­gleichs­wei­se klein sei. Eine Prä­sen­ta­ti­on von Prof. Ömer Bay­rakt­ar zu den Per­spek­ti­ven für Zer­ti­fi­zie­rung und Stan­dar­di­sie­rung aus Sicht von QuN­ET been­de­te die­sen Tagungs­punkt.

Prof. Chris­toph Becher eröff­ne­te mit einer Über­sicht der Prüf­stre­cken (Test­beds) für QKD in Deutsch­land das nächs­te The­ma. Aktu­ell gibt es Stre­cken zwi­schen Han­no­ver und Braun­schweig (78 km), in Saar­brü­cken (14 km) und in Ber­lin (26 km). Zwei wei­te­re Prüf­stre­cken in Pader­born (9 km) und in Ber­lin (375 Meter Frei­strahl bzw. 400 Meter Faser) sind im Bau. Prof. Dr. Harald Wein­fur­ter berich­te­te über wei­te­re Akti­vi­tä­ten in Bay­ern, Sach­sen und Thü­rin­gen, bei­spiels­wei­se aus dem Pro­jekt MuQua­Net. Ziel des Pro­jek­tes ist es, mit der Uni­ver­si­tät der Bun­des­wehr in Mün­chen (UniBwM) als Kern­punkt ein quan­ten­si­che­res Kom­mu­ni­ka­ti­ons­netz für For­schung und Eva­lu­ie­rung zu ent­wi­ckeln, auf­zu­bau­en und zu betrei­ben. Über wei­te­re Test­beds aus dem Pro­jekt QuN­ET infor­mier­te Dr. Thors­ten Goe­bel: Dort sind Stre­cken in Ober­pfaf­fen­ho­fen (Frei­strahl 8 km) und zwi­schen Jena und Erfurt (76 km) im Ein­satz sowie wei­te­re zwi­schen Dres­den und Jena in Pla­nung bzw. im Bau.

Dr. Nico­las Speth­mann nahm dies zum Anlass, um für SQuaD dar­über zu berich­ten, dass man nicht nur alle exis­tie­ren­den und geplan­ten Prüf- bzw. Test­stre­cken erfas­sen, son­dern durch Gesprä­che mit Indus­trie und For­schung den tat­säch­li­chen Gesamt­be­darf fest­stel­len wol­le. Hier­aus wol­le man den effek­ti­ven Bedarf nach Aus­bau oder Ver­bes­se­rung von bestehen­den Stre­cken ablei­ten. Wie wich­tig sol­che Maß­nah­men sei­tens SQuaD sind, zeig­te sich im wei­te­ren Ver­lauf der Kon­fe­renz, da eini­gen Teil­neh­men­den das For­schungs­netz zur Erpro­bung klas­si­scher Tele­kom­mu­ni­ka­ti­ons­ver­fah­ren in ganz Deutsch­land (auf Basis des vor­aus­ge­gan­ge­nen BMBF-geför­der­ten Pro­jekts SASER) bei­spiels­wei­se nicht bekannt war.

Der drit­te Kon­fe­renz­tag erwei­ter­te den Blick der Teil­neh­men­den auf aktu­el­le 6G-For­schungs­the­men. Dr. Chris­ti­an Dep­pe von der TU Mün­chen prä­sen­tier­te die Zie­le des Pro­jekts 6G-life. Das Pro­jekt „Digi­ta­le Trans­for­ma­ti­on und Sou­ve­rä­ni­tät künf­ti­ger Kom­mu­ni­ka­ti­ons­net­ze (6G-life)“ strebt Spit­zen­for­schung für künf­ti­ge 6G-Kom­mu­ni­ka­ti­ons­net­ze an. Dazu sol­len grund­le­gen­de Fra­gen zur Daten­über­tra­gung und zu ver­teil­ten Rechen­res­sour­cen im Netz beant­wor­tet wer­den: Dies stellt einen alter­na­ti­ven Ansatz gegen­über zen­tra­li­sier­ten Rechen­zen­tren dar. Die Ergeb­nis­se des 6G-life-Pro­jekts wer­den die Indus­trie und die Start-up-Land­schaft in Deutsch­land durch posi­ti­ve Vor­zei­ge­pro­jek­te sti­mu­lie­ren. Dies gilt ins­be­son­de­re für die Berei­che Robo­tik in der Indus­trie 4.0 sowie Assis­tenz­sys­te­me in der Medi­zin und im Gesund­heits­we­sen. Dr. Janis Nöt­zel und Dr. Ric­car­do Bas­so­li run­de­ten den Bericht aus 6G-life mit zwei Fach­vor­trä­gen ab.

Anschlie­ßend infor­mier­te Den­nis Poh­le (TU Dres­den) über die Ent­wick­lung eines Geräts zum Mul­ti­plex­ing von ein­fa­chen Glas­fa­sern zu Mehr­kern­fa­sern mit adap­ti­ver Optik im For­schungs­vor­ha­ben QUIET. Simon Seka­vč­nik (TU Mün­chen) refe­rier­te über das Pro­jekt „Quan­tum Phy­si­cal Lay­er Ser­vice Inte­gra­ti­on (Qua­Phy­SI)“. In Qua­Phy­Si wird das Ziel ver­folgt, die theo­re­ti­schen Grund­la­gen einer hybri­den Netz­werk­ar­chi­tek­tur zu ent­wi­ckeln, die erst­mals quan­ten­me­cha­ni­sche und klas­si­sche Ansät­ze ver­eint. Es sol­len siche­re Über­tra­gungs­pro­to­kol­le zur resi­li­en­ten sowie siche­ren Kom­mu­ni­ka­ti­on ermög­licht wer­den. Im Zusam­men­spiel von ver­teil­ten Quan­ten­zu­stän­den und klas­si­scher Über­tra­gung sol­len Daten­über­tra­gungs­ra­ten deut­lich erhöht wer­den.

Zum Ende der zwei­ein­halb­tä­gi­gen Kon­fe­renz fass­ten Prof. Becher und Dr. Speth­mann zen­tra­le Erkennt­nis­se der Ver­an­stal­tung zusam­men. Die ange­reg­te Dis­kus­si­on zu vor­han­de­nen und geplan­ten Prüf­stre­cken von unter­schied­li­chen Akteu­ren hat gezeigt, wie wich­tig es ist, sich zu lau­fen­den und geplan­ten Akti­vi­tä­ten aus­zu­tau­schen. Dr. Speth­mann kün­dig­te an, die auf­be­rei­te­ten Ergeb­nis­se der Kon­fe­renz der Com­mu­ni­ty bspw. auf der SQuaD-Web­sei­te ver­füg­bar zu machen und in die wei­te­re Road­map von SQuaD ein­flie­ßen zu las­sen. Prof. Becher beton­te die posi­ti­ve Erfah­rung, dass es gelun­gen sei, Fachexpert:innen aus unter­schied­li­chen Berei­chen erfolg­reich in Bad Hon­nef zusam­men­zu­brin­gen.

Foto: Prof. Becher und Dr. Speth­mann begrü­ßen die Teil­neh­men­den.

Foto- und Quel­len­nach­weis: https://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/service/aktuelles/fachcommunity-quantenkommunikation-bad-honnef