Quantenkommunikation über Glasfaserkabel soll nun durch ein großes Infrastrukturprojekt möglich werden

Von Wien bis Innsbruck und über die Landesgrenze hinaus: Über hunderte Kilometer hinweg sollen in Zukunft mit Hilfe von Quantentechnologien Signale ausgetauscht werden. Ein Glasfasernetzwerk wird aufgebaut, mit dessen Hilfe verschiedene Forschungseinrichtungen Quanteninformation übermitteln und Präzisionsmessungen durchführen werden. Dieses „Austrian Quantum Fiber Network“ (AQUnet) wird durch eine Förderung der Österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG im Ausmaß von 2,8 Millionen Euro ermöglicht.
Das österreichische Quantennetzwerk soll – im Verbund mit ähnlichen Initiativen auf europäischer Ebene – zum Vorbild für ein mögliches künftiges weltumspannendes Quanten-Internet werden. Die Anwendungsmöglichkeiten reichen von abhörsicherer Quantenkommunikation bis hin zu Präzisionsmessungen und Erdbebenwarnungen. Schon bisher wurde in Österreich im Bereich von Dateninfrastruktur zusammengearbeitet: Unter dem Namen ACONET entstand ein Hochleistungs-Datennetz für Wissenschaft, Bildung und Kultur – allerdings handelte es sich dabei bisher nicht um Quantenkommunikation, sondern um klassischen Datenaustausch. ACONET wird nun auch im neuen Quantenkommunikations-Projekt eine wichtige Rolle spielen, neben der TU Wien sind außerdem die Universität Wien, die Universität Innsbruck und das Bundesamt für Eich- und Vermessungswesen beteiligt.„Erkenntnisse aus dem Bereich der Quantentechnologien entwickeln sich rasend schnell. Mit einer Ost-West-Verbindung innerhalb Österreichs legt unser Projekt den Grundstein, um sich dann innerhalb Europas weiter zu vernetzen“ sagt Bernd Logar, Vorsitzender des ACONET Vereins und CIO der TU Wien.

Österreich als Quanten-Land
„Viele Länder wie Deutschland, UK, USA, China, investieren derzeit massiv in Quantentechnologie. In Österreich waren die Infrastruktur-Ausgaben bisher noch nicht so hoch, dabei hat gerade Österreich ausgezeichnete Chancen, bei diesem Wettbewerb ganz vorne mitzumischen“, sagt Prof. Thorsten Schumm vom Atominstitut der TU Wien, Initiator des Projekts. „Quantenphysik ist sicher eines der Forschungsgebiete, in denen Österreich besonders stark ist. Bereits jetzt gibt es ausgezeichnete Forschungsgruppen mit erstklassiger Infrastruktur. Sie wollen wir jetzt auf neuartige Weise verknüpfen.“
Entstehen soll nun ein österreichweites Netz aus Glasfaserleitungen, die für den Austausch von Quanteninformation geeignet sind. Eine zentrale Rolle spielen dabei Innsbruck und Wien, aber auch Partner aus anderen europäischen Ländern sollen längerfristig eingebunden werden – in Frankreich, Deutschland und Tschechien gibt es bereits ähnliche Initiativen, die mögliche Anknüpfungspunkte für das Projekt darstellen.

Quantenkommunikation für mehr Sicherheit
Information über große Strecken so auszutauschen, dass ihre quantenphysikalischen Eigenschaften bestehen bleiben, ist nach wie vor eine große Herausforderung. Relativ problemlos kann man heute zwar quantenverschränkte Photonen erzeugen – Lichtteilchen, die sich nicht individuell beschreiben lassen, sondern die sich bestimmte physikalische Eigenschaften „teilen“, auch wenn sie sich in entgegengesetzten Richtungen durch Glasfasern bewegen. Doch diese Verschränkungen stabil zu halten und sie auf kontrollierte, zuverlässige Weise für technologische Anwendungen zu nutzen, ist nach wie vor eine schwierige Hürde, die insbesondere an den Universitäten Innsbruck und Wien untersucht wird. In Innsbruck wird bereits ein lokales Quanten-Netzwerk zwischen verschiedenen Gebäuden am Uni-Campus (Institut für Experimentalphysik, IQOQI Innsbruck, Alpine Quantum Technologies) betrieben. Nun soll untersucht werden, wie sich dies auf große Entfernungen und mit bereits verlegten Daten-Glasfasern realisieren lässt.
Gelingt es, stabile, zuverlässige Quantenkommunikation zu ermöglichen, hätte man ein völlig neues Niveau von Datensicherheit erreicht: Man könnte Daten austauschen und völlig sicher sein, nicht abgehört zu werden – denn jeder Abhörversuch würde nach den grundlegenden Gesetzen der Quantenphysik die Quanteneigenschaften der Information zerstören.
„Bei unserem Forschungsprojekt geht es allerdings nicht nur um Quantenkryptographie“, sagt Thorsten Schumm. „Ganz zentral für das AQUnet-Projekt ist präzise Zeitmessung, das ist die Expertise meiner Forschungsgruppe an der TU Wien. Und auf diese Weise ergeben sich Möglichkeiten für verschiedenste Hochpräzisions-Messverfahren.“ Man kann mit einem solchen Netzwerk sehr exakt messen, wie Atomuhren an unterschiedlichen Positionen unterschiedlich ticken. Das kann dazu dienen, winzige Änderungen in Abstand oder Höhenunterschied zu detektieren, und das wiederum kann man verwenden, um mehr über das Verhalten der Erde zu lernen, bis hin zu Erdbebenvorhersagen.
Christian Panigl ist Abteilungsleiter für ACONET und Vienna Internet eXchange am Zentralen Informatikdienst (ZID) der Universität Wien. Er sieht das Projekt als hervorragende Ergänzung zu der derzeit laufenden Neuausschreibung für das ACONET-Glasfaserbackbone: „Gemeinsam mit den anderen Projektteilnehmern können wir damit unser Ziel noch besser verfolgen, die innovativen Forschungsbereiche der Quantenkommunikation sowie der hochpräzisen optischen Zeit- und Frequenzmessung bestmöglich zu unterstützen“, sagt Panigl.

Das Infrastrukturprojekt „Austrian Quantum Fiber Network – AQUnet“ startet im Mai 2021 und ist auf fünf Jahre ausgelegt.

Kontakt:
Prof. Thorsten Schumm
Atominstitut
Technische Universität Wien
Stadionallee 2, 1020 Wien
+43-1-58801-141896
thorsten.schumm@tuwien.ac.atwerden, wodurch das Gesundheitssystem – bis zum Erreichen einer ausreichenden Durchimpfungsrate – entlastet werden könnte.

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