Projekt

Aufgrund der Fortschritte im Quantencomputing werden in Zukunft „quantensichere“ Verschlüsselungsverfahren benötigt, um eine sichere Kommunikation zu gewährleisten. Die Quantenkommunikation könnte dabei eine entscheidende Rolle spielen. Dieser Bericht gibt einen Überblick über die drei Generationen von Quantenkommunikationstechnologien: Quantenschlüsselverteilung nach dem Prepare & Measure-Prinzip, verschränkungsbasierte Quantenschlüsselverteilung und Quantenrepeater. Der Bericht analysiert die Entwicklungen in Forschung, Industrialisierung, Testinfrastruktur und Markt, und zeigt zunehmende Publikations- und Patentierungsaktivitäten. Darüber hinaus werden Förderprogramme in Deutschland und Europa sowie internationale Strategien zur Quantenkommunikation untersucht. Abschließend werden Herausforderungen und Maßnahmen zur Sicherung der technologischen Souveränität in der Quantenkommunikation diskutiert.

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Die Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) gilt als vielversprechende quantensichere Kryptografie-Technologie, die die langfristige Sicherheit kritischer Daten gewährleisten könnte. Dieser Bericht erörtert die potenziellen Anwendungen von QKD in verschiedenen Sektoren, darunter die öffentliche Verwaltung, das Militär und die Verteidigung, das Bank- und Finanzwesen, Versorgungsunternehmen, der medizinische Sektor, die Industrie und der QKD-Dienstleistungssektor. Sie analysiert die Rahmenbedingungen, den regulatorischen Kontext und die Anforderungen für die Einführung von QKD und gibt eine Einschätzung der Einführung in diesen Sektoren in den kommenden Jahren. Außerdem werden wichtige Aspekte der Normung, Zertifizierung und Zulassung sowie Netzwerkaspekte erörtert. Schließlich diskutiert der Bericht Anwendungen der Quantenkommunikation über QKD hinaus. (nur in Englisch verfügbar)

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Da QKD Informationen in den Quantenzuständen von Photonen kodiert werden, sind Lichtquellen kritische Komponenten von QKD-Systemen und können deren Spezifikationen beeinflussen. Während kommerziell erhältliche QKD-Systeme überwiegend auf ausgereiften Lasertechnologien beruhen, besteht weiterhin erhebliches Verbesserungspotenzial sowie Chancen, verschiedene neuartige Lichtquellen-Technologien zu integrieren. Die Studie umfasst die Betrachtung von kohärenten Quellen, die Erzeugung von Photon-Paaren über spontane parametrische Abwärtskonversion (SPDC) und Four-Wave-Mixing (FWM), Quantenpunktquellen und andere deterministische Emitter. Die Studie erfasst verschiedene Lichtquellentechnologien, ihre wichtigsten Leistungsindikatoren, ihre Anwendung in QKD, die jeweiligen Technologiereifegrade und Wege zur Industrialisierung. (nur in Englisch verfügbar)

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Einzelphotonen-Detektoren stellen mit Hinblick auf die Systemperformance aktuell die wohl wichtigste Komponente bei DV-QKD (engl. discrete-variable QKD) dar, da sie direkt die erreichbare sichere Schlüsselrate, die maximale Distanz und die Robustheit gegenüber Rauschen in Glasfaser-, Freistrahl- und Satellitenverbindungen beeinflussen. Der Schwerpunkt des Berichts liegt auf Einzelphotonen-Avalanche-Photodioden (SPADs) auf Basis von Silizium (Si-SPADs), SPADs auf Basis von Indium-Gallium-Arsenid/Indium-Phosphid (InGaAs/InP-SPADs) und supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren (SNSPDs). Die Studie untersucht den aktuellen Stand, die Vor- und Nachteile jeder Technologie für verschiedene Anwendungsszenarien der QKD, identifiziert zentrale Leistungsindikatoren sowie Herausforderungen bei der Technologie- und Markteinführung und bietet eine Roadmap für die technologische Entwicklung von 2025 bis über 2040 hinaus. (nur in Englisch verfügbar)

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