Deutschen Forschern gelingt Durchbruch in der Quantenkommunikation: Datenübertragung via Glasfaser

Forschern ist erstmals Quantenkommunikation über eine bestehende Glasfaser-Leitung gelungen, und zwar in Deutschland – auf einer Strecke von 254 Kilometern zwischen Frankfurt am Main und Kehl. Das Besondere: Die abhörsichere Übertragung nutzte das normale Glasfasernetz der Deutschen Telekom, ohne teure Spezialleitungen.

Der Erfolg könnte bald für mehr Sicherheit bei Bankgeschäften, im Gesundheitswesen oder bei staatlichen Behörden sorgen – überall dort, wo besonders schützenswerte Daten unterwegs sind.

Forscher bringen Quantenkommunikation erstmals ins echte Glasfasernetz

Ein Hindernis für die Quantenkommunikation ist bisher, dass Quanteninformation beim Transport extrem empfindlich ist. Damit Informationen sicher übertragen werden können, müssen Teilchen wie Photonen „verschränkt“ werden – ein quantenmechanischer Zustand, der nicht verloren gehen darf. Zwar gelingt das im Labor unter kontrollierten Bedingungen schon länger. Kommerzielle Telekommunikationsnetze bestehen bereits aus Glasfaserleitungen. Quanteninformation stabil über solche vorhandenen Netze zu schicken, wäre ein entscheidender Schritt hin zur praktischen Nutzung dieser Technologie.

Herzstück des Experiments war das sogenannte Twin-Field Quantum Key Distribution-Protokoll (TF-QKD), entwickelt im Jahr 2018. Dabei senden zwei Stationen Lichtpulse, die sich in der Mitte – am Knotenpunkt in Darmstadt – treffen und miteinander interferieren.

So gelang es, Verschlüsselungscodes auszutauschen, ohne dass jemand sie unbemerkt abgreifen konnte. Während frühere Protokolle wie BB84 bei 100 Kilometern an ihre Grenzen stießen, hielt TF-QKD auch über eine Distanz von mehr als 250 Kilometern stabil durch. Die erzielte Schlüsselrate lag bei 110 Bit pro Sekunde.

Quantenkommunikation über Glasfaser gelingt ohne teure Spezialkühlung

Eine Herausforderung war die Nutzung des bestehenden Telekommunikationsnetzes. Täglich werden damit Internet-, Telefon- und Fernsehdaten übertragen – eine starke Belastung für die empfindlichen Quantensignale. Doch dank präziser Kalibrierung und Phasensynchronisation blieb die Übertragung stabil.

Statt kryogekühlter Spezialdetektoren setzten die Forscher Avalanche-Photodioden ein, die bei Raumtemperatur arbeiten, heißt es in der Studie. Das macht die Quantenkommunikation über Glasfaser alltagstauglicher und wirtschaftlich interessanter.

„Hier setzt die vorliegende Arbeit an, mit wichtigen neuen Ergebnissen“, erklärt Prof. Dr. Jens Eisert von der Freien Universität Berlin laut Science Media Center Germany. „Die Detektion benötigt keine aufwändige kryogene Kühlung. In dem Zwillingsfeld-kryptographischen Schema werden die Städte Frankfurt und Kehl über 254 Kilometer über herkömmliche Glasfaserkabel verbunden, mit respektablen Raten an sicheren Bits.“

Quantenkommunikation bietet neue Schutzmöglichkeiten für sensible Daten

Ein weiterer Vorteil: Selbst wenn der zentrale Messknoten manipuliert würde, blieben die verschlüsselten Daten sicher. Der sogenannte Measurement-Device-Independent-Ansatz verhindert erfolgreich das Abgreifen von Codes, selbst bei Angriffen auf einzelne Knotenpunkte.

Das könnte die Absicherung kritischer Infrastrukturen wie Banken, Krankenhäuser und Regierungsnetze revolutionieren. Mit der neuen Technik könnten Datenströme zuverlässig gegen Abhörversuche geschützt werden.

Deutschland verschafft sich einen strategischen Vorsprung

Das Projekt verschafft Europa, und insbesondere Deutschland, einen wichtigen Vorsprung im Bereich der Quantenkommunikation. Während China bereits ähnliche Experimente etwa mit dem „Micius“-Satelliten durchführte, ist die Integration in ein terrestrisches Telekommunikationsnetz eine deutlich komplexere Herausforderung.

Mit dem erfolgreichen Test in Deutschland rückt ein alltagstaugliches Quanteninternet einen Schritt näher. Künftig könnten Städte über abhörsichere Glasfaserverbindungen miteinander vernetzt werden – ein entscheidender Schritt für die digitale Souveränität Europas.

Eisert erklärt: „Sicherheit in der Kommunikation ist in unserer modernen Welt unerlässlich. Jede Textnachricht oder Nachricht an eine Bank ist verschlüsselt. Die typischerweise verwendeten Methoden basieren auf komplexitätstheoretischen Annahmen, die plausibel, aber letztlich unbewiesen sind. Quantennetzwerke bieten eine ganz neuartige Art der Sicherheit, die zumindest auf der Basis des quantenmechanischen Protokolls nicht zu knacken ist.“

Innovationen bringen Quantenkommunikation näher an den Alltag

Besonders bemerkenswert an der neuen Arbeit: Obwohl kein vollständiger Quanten-Repeater eingesetzt wurde, überschreitet das Team die bisherigen Grenzen repeaterloser Kommunikation deutlich. Diese Innovation bringt die Technik näher an eine mögliche kommerzielle Nutzung.

„Es sind solche Innovationen, die sichere Quantenkommunikation näher an die kommerzielle Verwertung bringen“, so Eisert. Gerade für Deutschland, wo Datenschutz einen hohen Stellenwert hat, eröffnet sich damit eine wichtige Zukunftsperspektive.

Kurz zusammengefasst:

• Forscher haben erstmals Quantenkommunikation in Deutschland über eine bestehende Glasfaser-Leitung über 254 Kilometer erfolgreich umgesetzt.
• Dabei gelang es, stabile und abhörsichere Datenübertragungen ohne Spezialkabel und ohne teure Kryokühlung im realen Telekommunikationsnetz zu erreichen.
• Die Technik könnte künftig kritische Bereiche wie Banken, Kliniken und Behörden besser gegen Lauschangriffe und Datendiebstahl schützen.

Übrigens: Wenn Quantenkommunikation heute schon über gewöhnliche Glasfaserkabel gelingt – könnten dann außerirdische Zivilisationen längst noch viel fortschrittlichere Wege nutzen, um sich auszutauschen? Warum wir ihre Botschaften vielleicht nie hören werden, erklärt unser Artikel.

Bild: © Midjourney