In naher Zukunft wird Quantenkryptographie ein wichtiges Thema in der sicheren Kommunikation sein. Bisher haben Wissenschaftler die Realisierbarkeit im Forschungslabor bewiesen und nun soll die Idee aus dem Labor in die reale Welt transportiert werden. Experten des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena, Deutschland, arbeiten an neuen Photonenquellen für Weltraumanwendungen.
Es ist die Natur der Quantenmechanik, die die Sicherheit von Quantenkommunikation inhärent macht. Zunächst wird stets ein Paar von Zwillingsphotonen erzeugt, deren Quantenzustände zwar unbekannt, aber voneinander abhängig sind. Bei der Messung eines Photons wird dann sein Zustand fixiert - gleichzeitig genauso der Zustand des zweiten Photons, unabhängig von ihrer Distanz zueinander.
Erik Beckert vom Fraunhofer IOF erklärt: »Es klingt zwar merkwürdig, aber auf diese Weise führt ein Abhören auf der einen Seite zu einer Veränderung beider Photonen und ist nachweisbar. Daher ist die Quantenkommunikation nicht unbedingt sicherer als andere Technologien, aber man kann immer erkennen, ob ein Dritter zuhört.« Aus diesem Grund können solche verbundenen oder »verschränkten« Photonen für eine sichere Verschlüsselung verwendet werden. Eine Quantenphotonenquelle kann eine Reihe von Photonen zu einem oder zwei Empfängern durch Fasern oder freien Raum senden und nach einem gewissen Verarbeitungszeitraum kann die Reihe als Schlüssel für die Verschlüsselung der tatsächlichen Nachricht dienen. Dies wird als Quantenschlüsselaustausch (QKD) bezeichnet und wurde bereits in Laboren und sogar im Freiraum demonstriert. »Nun wollen wir dieses Konzept zu einem zuverlässigen Bauteil für Raumfahrtmissionen machen«, sagt Beckert. Insbesondere hat die Telekommunikationsbranche Interesse an einer solchen robusten Lösung gezeigt, da ein satellitengestütztes QKD-System für sie sehr vorteilhaft wäre.
Aus dem Weltraum kann ein Quantenbauteil die Schlüsselsequenz zu zwei Punkten auf die Erde senden und eine sichere Kommunikation zwischen ihnen ermöglichen.
Gefördert durch das ARTES-5.2-Programm der ESA verwandeln sie Ideen aus der Forschung am weltbekannten Institut für Quantenoptik und Quanteninformation (IQOQI) in Wien, Österreich, in ein technisches Qualifikationsmodell. Darüber hinaus arbeiten sie momentan an einer speziellen adaptiven Optik für erd- und weltraumgestützte optische Endgeräte. Mit einem Konzept, das derzeit in der Astronomie angewendet wird, kompensieren diese Optiken die atmosphärische Unschärfe.
Anfang des Jahres 2017 startete die Abteilung für Telekommunikation und integrierte Anwendungen (TIA) der ESA die Initiative ScyLight. ScyLight steht für »SeCure and Laser Communications Technology«. Die Initiative wird die Forschung und Entwicklung neuer optischer Kommunikationstechnologien wie der Quantenkommunikation unterstützen. Sie wird auch Flugmöglichkeiten für die In-Orbit-Überprüfung der neuen Technologien zur Verfügung stellen. Auf der Paris Air Show präsentiert das Fraunhofer IOF verschiedene Komponenten ihrer Raumfahrttechnik. Derzeit sind diese Komponenten harten Haltbarkeitstests ausgesetzt. Jedes der wertvollen optischen Komponenten muss Vibrationen von 25 g und thermischen Belastungen von etwa -30 bis 50°C standhalten.
Die Testdurchläufe des technischen Qualifizierungsmodells der neuen Quelle für verschränkte Photonen werden bis Juni 2017 abgeschlossen sein. Falls das Projekt durch ScyLight gefördert wird, wird das Team des Fraunhofer IOF als nächstes ein Flugmodell erarbeiten. Die QKD-Technologie wird Teil einer neuen Generation von weltraumgestützten Lasersystemen sein, die eine schnellere und sicherere Kommunikation zwischen Satelliten und zwischen Satelliten und Bodenstationen ermöglichen.