Der (Quanten-)Schlüssel zur Zukunft

Bereits zu Beginn des vergangenen Jahrhunderts wurden die Grundlagen für die Quantenphysik gelegt. Danach brauchte es knapp 50 Jahre, um ers­te Anwendungen wie den Laser hervor­zu­bringen. Aus dieser soge­nann­ten „ersten Quantenrevolution“ ging die Photonik als eine wesent­liche Schlüs­seltechnologie hervor, um aktuellen und anstehenden He­raus­forderungen der Menschheit zu begegnen.

Quantenforschung in Jena

Der Standort Jena hat die Ent­wick­lung dieses wichtigen Zukunfts­fel­des seither maßgeblich mitgeprägt: In der Thüringer Industrie finden sich heute 15.000 Arbeitsplätze mit Bezug zur Photonik. Da­rüber hinaus treiben Hochschulen und außer­universitäre Forschungseinrichtungen weitere Fort­schritte voran. Und das mit Erfolg: Seit der ersten Quantenrevolution sind erneut 50 Jahre ver­gangen – und wir sind einen gro­ßen Schritt wei­ter.

An der Schwelle zur zweiten Quantenrevolution

Heute können wir einzelne Quanten kontrollieren und stehen damit an der Schwelle zur mittlerweile zwei­ten Quanten­revolution. Die Photonik ist hierbei ein wichtiger Enabler: Zahlreiche Einrichtungen in Thüringen befassen sich mit vielfältigen Aspekten der zweiten Quantenre­volution auf der Grundlage ihrer aus­ge­wählten Kompetenz in der Photonik. Netzwer­ke wie der „Quantum Hub Thüringen“ bündeln dabei das mannigfaltige Wissen und schaffen Sy­nergien zwischen Forschung, Industrie und Wissenschaft. Gemeinschaftlich wird hier der Mehrwert der Quanten für die Bereiche Compu­ting, Bildgebung und Kommunikation unter­sucht.

Quanten in der IT-Sicherheit

Insbesondere in der IT-Sicherheit der Zukunft sind die Quanten stark gefragt. Denn unsere Welt ist hochvernetzt und deswegen in besonderem Maße anfällig für Cyber­an­griffe. Attacken auf kritische Infrastruk­turen wie Energienetze und sicherheitskritische Behörden können nicht nur sensible Daten, son­dern potenziell sogar Leben gefährden. Die Quan­tentechnologien halten hier, im wahrsten Sinne des Wortes, den Schlüssel zur Zukunft für uns bereit. Denn mithilfe von miteinander ver­schränk­ten Lichtteilchen lassen sich sensible In­formationen in Zukunft physi­kalisch nachweis­lich und praktisch abhörsicher verschlüsselt über­tragen.

Mit ihrer Forschungs- und Entwicklungsarbeit er­zielen Forschende aus Jena dabei immer wie­der Rekordwerte: Auf einer Teststrecke zwischen dem Fraunhofer-Institut auf dem Beuten­berg und den Stadtwerken Jena wurden über eine Dis­tanz von 1,7 Kilometern Luftlinie bereits er­folgreich Quantenschlüssel mit Schlüssel­ge­nerierungsraten im Bereich von mehreren Kilo­bit pro Sekunde ausgetauscht. Für den Austausch eines Quantenschlüssels via Freistrahl in­ner­halb eines urbanen Gebiets gehört diese Generie­rungs­rate weltweit zu den höchsten. Sie würde aus­reichen, um ein Telefonat innerhalb einer Stadt problemlos hochsicher zu ver­schlüs­seln.

Noch größere Distanzen überbrückten Wissen­schaft­lerinnen und Wissenschaftler im ver­gan­genen Jahr als erstmals erfolgreich Quanten­schlüs­sel via Glasfaser über eine Strecke von 75 Kilometern zwischen Jena und Erfurt ausge­tauscht wurden. Der Clou dabei: Die Übertra­gung erfolgte über konventionelle Telekommu­ni­ka­tions­glas­faser. Ein weiterer Ausbau der Test­stre­cke ist um Netzwerkpunkte in Nordhausen, Dresden, Erlangen, Frankfurt und München ge­plant.

Kurzum: Forschende an Thüringer Hochschulen und außeruniversitären Forschungsein­rich­tun­gen sind maßgeblich daran beteiligt, die zweite Quantenrevolution mit­zugestalten. Aus­grün­dun­gen wie etwa die Quantum Optics Jena GmbH, ein Spinoff des Fraunhofer IOF, tragen weiterhin dazu bei, Forschung vom Labor raus in die re­ale An­wendung zu überführen (siehe Beitrag Seite 12).

Doch ohne weiteren politischen Willen und ein ge­meinsames Engagement von Wissenschaft und Wirtschaft geht es nicht. Der Paradig­men­wechsel hin zu den Quan­tentechnologien bietet dabei auch für uns als Gesellschaft, speziell als europäische Gemeinschaft, eine Chance für ein stär­keres Zusammenwachsen.

Durch eine aktivere europäische Indus­trie­politik kann es uns gelingen, uns als Wirtschaft und Gesellschaft global zu eman­zipieren.

Denn tatsächlich nützt es uns wenig, Methoden zur hochsicheren Verschlüsselung in Europa zu erforschen, wenn Bauteile für elektronische Geräte wie Computer und Smartphones nach wie vor im außereuropäischen Ausland einge­kauft werden müssen. Wir können noch so ef­fek­tiv verschlüsseln, jedoch wird jede hochsichere Kryptographie kompromittiert, wenn sich in jeder Computerhardware ein Hintertürchen versteckt. IT-Sicherheit ist eine europäische Auf­gabe, für die wir gemeinsame Verantwortung überneh­men müssen. Die Quantentechnologien bieten uns hier den Startschuss für ein neues Zeitalter – tech­nologisch wie auch gesellschaft­lich. (at)