Aufbau einer Quantenkommunikationsinfrastruktur

Ziel dieses Teils des MuQuaNet-Projekts ist es, eine Quantenkommunikationsinfrastruktur zwischen den Standorten UniBw-Campus, Forschungsinstitut CODE, ZITiS, LMU, Airbus, BWI und DLR wie folgt aufzubauen:

Abbildung 1: MuQuaNets Quantenkommunikationsinfrastruktur¹

Diese Infrastruktur besteht aus den folgenden Bestandteilen:

1. Quantenschlüsselaustausch (QKD)-Geräten: Diese werden von Firmen kommerziell erworben oder in Kooperation entwickelt. Derzeit beliefern die Firmen IDQuantique, Quantum Optics Jena und KEEQuant das MuQuaNet mit ihren kommerziell erhältlichen QKD-Technologien. Die in Abbildung 1 dunkelrot markierte Strecke befindet sich bereits im Betrieb und für die hellroten Strecken befinden sich die Geräte zur Erprobung noch im Laborbetrieb. An jedem Standort, der kein Endknoten ist, werden sich jeweils mindestens zwei QKD-Geräte befinden, ein Sender- und ein Empfängergerät, die zusammen einen Trusted Node (nach Physiker-Sprechweise) bilden.
2. Dark Fiber-Strecken, d.h. bisher unbenutzten, dezidierten Glasfaserstrecken zwischen den Standorten, über die optische Qubits verschickt werden können. Auf jeder Strecke stehen mindestens zwei Lichtwellenleiterkabel (LWL-Kabel) zur Verfügung.
3. einer Freistrahlstrecke, die in Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe von Prof. Weinfurter (LMU) im Teilprojekt "QKD Freistrahlstrecke" auf dem UniBw-Campus aufgebaut wird.
4. klassischen Verschlüsselungsgeräten, die einerseits die Quantenschlüssel verwenden, um den Datenverkehr zwischen den MuQuaNet-Standorten zu verschlüsseln, und die andererseits auch die konventionellen (nicht-QKD) Teile des Netzwerks absichern, beispielsweise innerhalb eines Gebäudes. Für die Verschlüsselung auf Layer 2 des OSI-Schichtenmodells kommen SITLines der Firma Rohde & Schwarz zum Einsatz und ein QKD-VPN auf Layer 3 wird mit SINA Boxen der Firma secunet realisiert.
5. Durch die Anbindung des DLR wird zudem die Möglichkeit einer QKD-Satellitenanbindung geschaffen (siehe Teilprojekt "QKD Satellitenanbindung").

In Zukunft wäre es wünschenswert, Trusted Nodes durch Quantenrepeater zu ersetzen, um einen durchgängigen Quantenschlüsselaustausch zwischen zwei beliebigen Standorten im Netzwerk zu ermöglichen. Da es voraussichtlich jedoch noch einige Jahre dauern wird, bis die ersten Modelle einsatzfähig sein könnten, muss QKD entweder auf das Trusted Node Prinzip zurückgreifen oder kann lediglich zur Absicherung von Datenverkehr auf Punkt-zu-Punkt-Strecken verwendet werden.

Die aufgebaute Infrastruktur soll in diesem Teilprojekt gründlich getestet, zu Forschungszwecken betrieben sowie Projektpartnern als Plattform für Tests zugänglich gemacht werden. Sie dient als Grundlage für das Schlüsselmanagement sowie als Basis für die Implementation der Use Cases.

Die Verteilung der verschiedenen Bestandteile der geplanten QKD-Infrastruktur auf die MuQuaNet-Standorte ist schematisch in der folgenden Graphik illustriert:

Abbildung 2: Schematischer Aufbau und Bestandteile der QKD-Infrastruktur

Alle QKD-Geräte, mit Ausnahme des Freistrahlsystems, brauchen mindestens zwei LWL-Kabel für ihren Betrieb. Eines davon, der Quantenkanal, ist für die Versendung von Quanteninformation mittels ultraschwacher Lichtsignale und das andere, der klassische Kanal, wird verwendet um im Postprozessing aus den Messungen am Quantenkanal einen sicheren Schlüssel zu erzeugen. 




^{1 _{This map of Munich is made available under the Open Database License: http://opendatacommons.org/licenses/odbl/1.0/. Any rights in individual contents of the database are licensed under the Database Contents License: http://opendatacommons.org/licenses/dbcl/1.0/}}