Grundlage für ein zukünftiges Quantennetz – Quantenkanäle im Flug getestet
10. Oktober 2025 | Projekt QuNET erreicht mit Schlüsselexperiment weiteren Meilenstein
Grundlage für ein zukünftiges Quantennetz – Quantenkanäle im Flug getestet
Blick auf die Außeneinheit des laseroptischen Sende- und Empfangssystem
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben ein laseroptisches Sende- und Empfangssystem in die Dornier 228 eingebaut. Das Flugzeug bildete bei den Flügen einen mobilen Knoten in einem Quantennetz und stellte eine Verbindung zu einer Bodenstation her. Das Flugexperiment fand im Rahmen der QuNET-Initiative statt, die Technologien zur quantengesicherten Kommunikation entwickelt.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben ein optisches Kommunikationsterminal in die Dornier 228 eingebaut. Das Flugzeug bildete einen mobilen Knoten in einem Quantennetz und stellte eine Verbindung zu einer Bodenstation her. Das Flugexperiment fand im Rahmen der QuNET-Initiative statt, die Technologien zur quantengesicherten Kommunikation entwickelt.
Das laseroptischen Sende- und Empfangssystems wurde nach dem Einbau in das DLR-Forschungsflugzeug noch im Hangar getestet. Das Flugexperiment fand im Rahmen der QuNET-Initiative statt, die Technologien zur quantengesicherten Kommunikation entwickelt.
Es ist nicht einfach, einzelne Photonen von einem Flugzeug aus gezielt auf den Weg zu bringen, in einer Bodenstation einzufangen und auch zu erkennen. Forschenden ist das jetzt gelungen: Sie haben sogar mehrfach verschiedene Quantenkanäle zwischen einem Flugzeug und einer Bodenstation vermessen, Photonen an eine Ionenfalle geschickt und Technologien zur Quantenschlüsselverteilung getestet. Das Flugexperiment fand im Rahmen der QuNET-Initiative statt, die Technologien zur quantengesicherten Kommunikation entwickelt. Mit Photonen, also Lichtteilchen, können quantenkryptographische Schlüssel erzeugt werden, die die Kommunikation der Zukunft abhörsicher machen. Die Technologien sind außerdem wegweisend für ein zukünftiges Quanteninternet, das Quantencomputer miteinander verbindet.
An dem Experiment waren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), dem Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL), der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen (FAU) und aus den Fraunhofer Instituten für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) und Heinrich Hertz Institut (HHI) beteiligt. Die Ergebnisse wurden nun dem Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) vorgestellt, das die QuNET-Initiative fördert. Die Quantenschlüsselverteilung ist für die Kommunikation von Regierungen und Behörden besonders wichtig, aber auch generell, um künftig Infrastruktur und Daten des täglichen Lebens zu schützen.
„Wir arbeiten an praxistauglichen Lösungen für die satellitenbasierte Quantenkommunikation, mit der Quantenzustände über große Distanzen übertragen und sichere Schlüssel erzeugt werden können. In der Glasfaser ist dies nur über wenige Hundert Kilometer möglich. Die Quantenverschlüsselung via Satellit hingegen ermöglicht beliebig größere Distanzen auf der Erde“, erklärt Florian Moll vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation die zukünftige Technologie. Um lange Strecken zu überwinden, sollen Satelliten, Flugzeuge oder andere mobile Plattformen künftig ein Teil von Quantennetzen werden.
Forschende haben verschiedene Quantenkanäle zwischen einem Flugzeug und einer Bodenstation vermessen, Photonen an eine Ionenfalle geschickt und Technologien zur Quantenschlüsselverteilung getestet: Das Flugexperiment fand im Rahmen der QuNET-Initiative statt, die Technologien zur quantengesicherten Kommunikation entwickelt. Beteiligt waren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), dem Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL), der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen (FAU) und aus den Fraunhofer Instituten für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) und Heinrich Hertz Institut (HHI). Im Video erklären sie ihre Forschung und das Experiment.
Video: Schlüsselexperiment im Projekt QuNET
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Video: Schlüsselexperiment im Projekt QuNET
Forschende haben verschiedene Quantenkanäle zwischen einem Flugzeug und einer Bodenstation vermessen, Photonen an eine Ionenfalle geschickt und Technologien zur Quantenschlüsselverteilung getestet: Das Flugexperiment fand im Rahmen der QuNET-Initiative statt, die Technologien zur quantengesicherten Kommunikation entwickelt. Beteiligt waren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), dem Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL), der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen (FAU) und aus den Fraunhofer Instituten für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) und Heinrich Hertz Institut (HHI). Im Video erklären sie ihre Forschung und das Experiment.
Geflogen wurde beim aktuellen Experiment mit einem DLR-Forschungsflugzeug der Einrichtung Flugexperimente. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben ein optisches Kommunikationsterminal in die Dornier 228 eingebaut. Das Flugzeug bildete einen mobilen Knoten in einem Quantennetz und stellte eine Verbindung zu einer Bodenstation her. Die Empfangsstation am Boden ist in diesem Fall ein mobiler Container mit integriertem Empfangsterminal, der sogenannte QuBUS, vom Fraunhofer IOF.
Technisch hochkompliziert
Einzelne Photonen sind schwierig zu handhaben: Für die Quantenkommunikation müssen sie mit hoher Qualität erzeugt werden und auch unter starken äußeren Störeinflüssen klar detektiert werden. Für bestmögliche Ergebnisse muss außerdem die Wellenlänge der Photonen präzise eingestellt werden. „Wir haben in den verschiedenen Versuchen gezeigt, dass das möglich ist. Die Vorgehensweise, die wir getestet haben, ist nicht nur von Flugzeugen aus möglich, sondern auch von Satelliten“, ergänzt Florian Moll.
Für das aktuelle Experiment haben mehrere Forschungsflüge über Erlangen stattgefunden, da die Ionenfalle im Labor des ansässigen MPL aufgebaut ist. Die Lichtteilchen vom Flugzeug sind an der Bodenstation in ein Glasfaserkabel geleitet worden. Die Glasfaser führte dann zu den Messgeräten der verschiedenen Experimente. Die Zustände der „fliegenden“ Teilchen konnten in Messungen an der Ionenfalle nachgewiesen werden – was ein Ziel des Experiments war. Diese Kommunikationstechnologie kann zum Beispiel auch für die Anbindung von Quantenspeichern oder Quantencomputern in einem zukünftigen Quantennetz verwendet werden.
Sichere Kommunikation für die Zukunft
Im Flugzeug und in der Bodenstation in Erlangen waren Systeme zur Durchführung von Experimenten zur Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) angeschlossen. Diese sind wegweisend für satellitenbasierte Quantenkommunikation: So wurde ein System zur uhrenkanalfreien Quantenschlüsselverteilung getestet. Außerdem haben die Forschenden Photonen aus einer Verschränkungsquelle am Boden detektiert. Kanalmessungen und Komponententest für QKD-Systeme mit neuartigen und flexibel konfigurierbaren Protokollen lieferten zudem wichtige Erkenntnisse für die weiteren Entwicklungen zur sicheren Kommunikation der Zukunft.
QuNET (Quantum Network) ist eine vom Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) geförderte Pilotinitiative zur Erforschung hochsicherer Kommunikationssysteme basierend auf Quantenkommunikationstechnologien. QuNET startete im Herbst 2019 und wurde für eine Dauer von sieben Jahren geplant. Das BMFTR fördert QuNET mit 125 Millionen Euro. Beteiligt sind neben dem DLR-Institut für Kommunikation und Navigation auch das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, das Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut (HHI), das Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL), sowie die Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU).
QuNET will Grundlagen für sichere und robuste IT-Netze schaffen, die bereits heute gegen Cyberangriffe von morgen gewappnet sind. Die Sicherheit von IT-Kommunikationsnetzen beruht aktuell vor allem auf mathematischen Annahmen. Diese bieten gegen Zukunftstechnologien, wie zum Beispiel leistungsfähige Quantencomputer, keinen ausreichenden Schutz mehr.
In die Planung und Durchführung der Tests mit den mobilen Knoten ist die DLR-Einrichtung Flugexperimente eingebunden, welche mehrere Forschungsflugzeuge im DLR betreibt. Im Projekt QuNET wird die Dornier DO 228 eingesetzt.
Forschung zur optischen Datenübertragung im DLR-Institut für Kommunikation und Navigation
Das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation blickt auf eine über 20-jährige Forschung und bahnbrechende Ergebnisse im Bereich der optischen Datenübertragung im Freiraum zurück. Für QuNET bringen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ihre Expertise in der satellitenbasierten Quantenkommunikation ein und sind für den freistrahlbasierten Kommunikationskanal verantwortlich, in welchem die Quantenzustände zwischen Satelliten und Erde übertragen werden. Die Anforderungen an die Signalqualität und die Übertragungseffizienz gehören dabei zu den größten Herausforderungen. Deswegen muss die satellitenseitige sende- und bodenseitige Empfangsoptik so gestaltet werden, dass die Quantenzustände möglichst ungestört übertragen werden und die Strahlausrichtung extrem präzise gestaltet werden kann. Die Forschungsarbeiten des DLR beinhalten auch eine ausführliche Kanalcharakterisierung, um dessen Einfluss auf die Zustandsübertragung quantifizieren zu können.
Der Transfer der erarbeiteten Technologien und des Know-How in die Industrie gehört zu den wesentlichen Zielen des DLR und wird konsequent verfolgt. Erste Flugkampagnen mit optischen Verbindungen zu Bodenstationen für Telekommunikation und Quantenkommunikation wurden bereits im Jahr 2009 durchgeführt. Das DLR-Institut für Kommunikation und Navigation hat Standorte in Oberpfaffenhofen und Neustrelitz.
