Messtechnik und Netzwerkverschlüsselung

STORY23.08.2022

Nächster Halt: nächste Generation

Wie Messtechnik und Netzwerkverschlüsselung neue quantentechnologische Anwendungen ermöglichen

Milliarden an öffentlichen und privaten Investitionen fließen in Quantentechnologien. Schlag auf Schlag verkünden Medien neue Meilensteine. Visionäre Anwendungen in Sensorik, Computing und Kommunikation scheinen zum Greifen nah. Mit hochpräzisen Messtechnik-Lösungen befähigt Rohde & Schwarz Forschung, Industrie und öffentliche Institutionen, einzelne Quantensysteme gezielt zu kontrollieren. Und die Verschlüsselungsexperten des Technologiekonzerns bringen sichere Kommunikation auf Quantenbasis aus den Forschungslaboren raus in relevante Anwendungen.

Ping Loke portrait

„Quantencomputing, Quantensensorik, Quantenkommunikation: Alle drei Technologien haben disruptives Potential.“

Ping Loke, Executive Vice President, Corporate R&D

Allein das finanzielle Volumen zeichnet ein deutliches Bild von dem Innovationspotential, das den Quantentechnologien zugeschrieben wird. Neben dem weltweiten Engagement etablierter Risikokapitalfonds fließen Milliarden an öffentlichen Mitteln in nationale und transnationale Forschungsfonds.

Das deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung etwa hat einen Quantum Tech Fund mit 2,6 Milliarden Euro aufgesetzt. Die EU-Initiative Quantum Flagship ist mit einer Milliarde Euro ausgestattet. Der National Quantum Initiative Act der USA umfasst ein finanzielles Volumen von zwei Milliarden US-Dollar.

"In den letzten zwei Jahrzehnten ist die wissenschaftliche Aktivität explodiert. Im Fokus: die zweite Generation der Quantentechnologie."
Ping Loke, Executive Vice President, Corporate R&D

Quanteneffekte sind längst Teil unseres Alltags. In einem Smartphone etwa stecken mitunter mehrere hundert Milliarden Transistoren. Die meisten finden sich in den Flash-Speicherchips. Deren Funktion, Ströme und Spannungen zu steuern, beruht auf den quantenmechanischen Eigenschaften von Halbleitern. Solche Beispiele der ersten Generation nutzen natürliche Quanteneffekte aus. Die zweite Generation der Quantentechnologie hingegen gründet auf der Fähigkeit, einzelne Quantenzustände gezielt erzeugen und kontrollieren zu können.

Quantentechnologie 2.0 – was bringt‘s?

Medizin personalisieren

Medizin personalisieren

Medizin personalisieren: Jeder Mensch ist anders. Seine Krankheiten sind es auch. Krebszellen beispielsweise unterscheiden sich von Mensch zu Mensch, verändern sich häufig über die Zeit. Analytisch werden die vielfältigen Unterschiede und Veränderungen bereits gut erfasst. Das erzeugt riesige Datenmengen, Big Data lautet das Stichwort. Solche Daten zielgerichtet und zeitnah auszuwerten, um individuell zugeschnittene Therapien abzuleiten, ist für klassische Computer bislang ein Ding der Unmöglichkeit.

Lieferketten-Upgrade

Lieferketten-Upgrade

Lieferketten-Upgrade: Globale Warenströme umspannen unsere Welt. Ein neues Tablet für zuhause oder die Giveaways zur Firmenfeier sind im Internet nur einen Klick weit entfernt. Dahinter verbirgt sich ein komplexes Logistiknetz aus Produzenten, Dienstleistern, Zulieferern, Händlern, Spediteuren, Kurierdiensten und vielen anderen mehr. Bei einem Stau im Container-Hafen oder wenn sich die Preise für eingekauftes Material verändern, müssen Alternativen her – am besten in Echtzeit. Auch hierbei überschreitet die Komplexität der Aufgabe die Leistungsfähigkeit klassischer Rechner.

Quantenphysik in der sicheren Kommunikation

Quantenphysik in der sicheren Kommunikation

Quantenphysik in der sicheren Kommunikation: Ob privat oder beruflich, Bilder vom Strandurlaub oder Entwicklungsanträge für ein neues Produkt: Unsere Daten und ihre Übertragung gilt es zu schützen. Unternehmen sehen Hackerangriffe und deren Folgen heute als Geschäftsrisiko Nummer eins. Die Entwicklungen im Quantencomputing zeigen klassischen Verschlüsselungstechnologien perspektivisch Grenzen auf. Große Hoffnungen ruhen auf Innovationen in der Quantenkommunikation. Sie ermöglicht es, nicht-autorisierte Eingriffe garantiert zu erkennen. Ein echter Hochsicherheitstrakt für sensible Informationen.

Schnell, schneller, Quantencomputing

Binärcode regiert unsere Welt. Klassische Computer verarbeiten Informationen in Sequenzen von Null oder Eins, wahr oder falsch, aus oder an. Das gilt für alle Anwendungen, von der einfachen Textverarbeitung bis zur virtuellen Wirklichkeit im Metaverse. Allerdings wird die Welt, in der wir leben und arbeiten, zunehmend komplexer. Allein die Menge an Daten, die es zu verarbeiten gilt, nimmt rasant zu. Das jährliche digitale Datenaufkommen hat sich zwischen 2012 und 2020 verzehnfacht. Die Prognose für 2025 rechnet mit einer weiteren Verdreifachung. Das erwartete Volumen von mehr als 180 Zettabyte entspricht in einer etwas bekannteren Dimension 180 Trillionen Gigabyte.

Vor diesem Hintergrund stoßen klassische Rechner letztlich an zwei unüberwindbare Grenzen: Zeit und Komplexität. Je größer das Datenvolumen ist, desto mehr Zeit benötigt eine sequenzielle Verarbeitung. Je komplexer das Problem, desto geringer ist die Wahrscheinlichkeit, dass ein Binärcode aus zwei Zuständen ausreicht, um eine Lösung effizient zu berechnen. Quantencomputer haben das Potential, beide Herausforderungen durch die Gesetze der modernen Physik zu überwinden.

Some like it cold

Manche mögen’s kalt

Das Walther-Meißner-Institut für Tieftemperaturforschung (WMI) ist ein Forschungsinstitut der Bayerischen Akademie der Wissenschaften (BAdW). Es betreibt Grundlagen- und angewandte Forschung auf dem Gebiet der Tief- und Ultratieftemperaturphysik. Ein Schwerpunkt: Quantencomputing. Bei der Kontrolle ihrer Systeme vertrauen die Forscher auf Messtechniklösungen von Rohde & Schwarz und seiner Konzerntochter Zurich Instruments.

Hand in Hand statt Entweder-oder

Analog zu klassischen Bits bilden Quanten-Bits (Qubits) quantenmechanische Speichereinheiten. Neben Nullen und Einsen können sie auch sich überlagernde Mischzustände annehmen. Diese Gleichzeitigkeit ist ein fundamentaler technologischer Paradigmenwechsel. Traditionell sequentielle Rechenwege können jetzt gleichzeitig in Angriff genommen werden. Ergo: Ein Quantencomputer spart Zeit.

Die neue, quantenmechanische Arbeitsweise ermöglicht aber vor allem auch, neue, viel komplexere Fragestellungen zu bearbeiten. Letztlich handelt es sich nicht um eine Entweder-Oder-Entscheidung, entweder klassische Rechenleistung oder Quantencomputing. Vielmehr wird es darum gehen, vorhandene Systeme und Quantensysteme je nach Aufgabe sinnvoll zu integrieren.

Wie viel Arbeit noch auf die angewandte Forschung wartet, verdeutlicht ein Blick auf die Forschungsziele. Einen Dreh- und Angelpunkt bildet das Problem der Proteinfaltung. Die Lösung dessen ermöglicht die Vorhersage der dreidimensionalen Struktur eines Proteins anhand seiner primären Aminosäuresequenz. Darauf ruhen große Hoffnungen, um beispielsweise wirkungsvolle, personalisierte Medikamente zu entwickeln.

Physik versus Logik

In der Welt der Quanten kann ein Teilchen an zwei Orten sein. Erst wenn man es beobachtet, zum Beispiel durch eine Messung, wird sein Ort auf eine der beiden Möglichkeiten eingeschränkt. Einen eindeutigen Ort bekommt es erst, wenn man es beobachtet. Die ungewöhnlichen Eigenschaften bedingen gleichzeitig ihre extreme Störanfälligkeit. Statt die teilweise stark fehlerbehafteten physikalischen Qubits zu verwenden, verknüpft man deshalb mehrere von ihnen zu einem logischen Qubit. Die Herausforderung: Um praxisnahe Probleme wie das der Proteinfaltung zu lösen, werden Quantensysteme mit bis zu einer Million logischen Qubits vorausgesetzt. Ein logisches Qubit wiederum besteht aus bis zu 100 physikalische Qubits. Die aktuell höchste Prozessorleistung liegt jedoch erst bei 127 physikalischen Qubits.

Sadik Hafizovic portrait

„Unsere Mission: We help build the quantum computer.“

Dr. Sadik Hafizovic, CEO & Mitgründer von Zurich Instruments, a Rohde & Schwarz company

Zurich Instruments ist das jüngste Mitglied der Rohde & Schwarz-Konzernfamilie. Insbesondere der Messtechnikmarkt für Quantencomputing birgt für beide Unternehmen ein erhebliches Potenzial. Betrieb und Wartung von Quantencomputern erfordern eine Vielzahl an spezifischen Messlösungen. Denn um Quantenzustände gezielt zu erzeugen und auszulesen, müssen Hochfrequenz-Signale in extrem engen Toleranzen erzeugt und erfasst werden. Quantencomputer-Kontrollsysteme sind Teil des Portfolios.

"Forschungslabore und Industriepartner vertrauen auf unsere Mess- und Kontrollsyteme, um ihre Quantencomputer optimal zu betreiben. Das macht uns zum Innovationsbeschleuniger: Quantenforscher sollten keine Zeit damit verlieren, Messinstrumente selbst zu entwickeln."
Sadik Hafizovic, CEO & Mitgründer von Zurich Instruments, a Rohde & Schwarz company

Sicher, sicherer, Quantenkommunikation

Quantencomputer versprechen, die Grenzen der Recheneffizienz zu verschieben. Das birgt Herausforderungen. Betroffen davon ist der Bereich der sicheren Kommunikation. Die Büchse der Pandora begann sich bereits Anfang der 1990er-Jahre zu öffnen. Damals wurden erste Algorithmen entworfen, mit denen entsprechend leistungsfähige Rechner auf Quantenbasis klassische Kryptoalgorithmen brechen könnten.

Mittlerweile sind alternative Verschlüsselungsmethoden in den Fokus gerückt. Im Wesentlichen sind dabei zwei Ansätze von Bedeutung. Einer ist die sogenannte Post-Quanten-Kryptografie. Dabei kommen ganz klassische Verschlüsselungsmethoden zum Einsatz – mit dem Unterschied, dass sie selbst Angriffe von Quantencomputern unbeschadet überstehen sollen. Die verwendeten Algorithmen beruhen auf theoretischen Annahmen, für die bislang weder auf klassischen noch auf Quantenrechnern effektive Angriffe bekannt sind.

Falk Herrmann portrait

„Sichere Kommunikationsnetzwerke haben in modernen Informationsgesellschaften den Stellenwert einer kritischen Infrastruktur.“

Dr. Falk Herrmann, CEO Rohde & Schwarz Cybersecurity

Ein anderer Ansatz betrifft die sogenannte Quantum-Key-Distribution, kurz QKD. Das deutsche Bundesamt für Sicherheit in der Informationstechnik (BSI) und das US-amerikanische Nationale Institut für Standards und Technologie (NIST) zählen zu den Innovationstreibern. Denn in einer zunehmend digitalisierten Welt sind privatwirtschaftliche und in besonderer Weise auch hoheitliche Kunden auf vertrauenswürdige IT-Sicherheitslösungen angewiesen.

Die neuartigen Lösungen verlagern den Schwerpunkt der Kryptologie. Klassische und ebenso die neueren Post-Quanten-Verfahren beruhen auf mathematischen Annahmen, also auf der Überlegung, dass sich bestimmte Aufgabenstellungen nicht effizient genug berechnen lassen. Quantum-Key-Distribution setzt auf physikalische Prinzipien.

Verteilung von symmetrischen Netzwerkschlüsseln

Ziel ist es, die Verteilung von symmetrischen Schlüsseln zu sichern. Das funktioniert, indem Millionen von einzelnen Photonen, also Lichtteilchen, über eine optische Verbindung wie ein Glasfaserkabel gesendet werden. Jedes Photon hat einen eigenen zufälligen Quantenzustand. Jeder Versuch, die Photonen auszulesen oder zu kopieren, verändert den Zustand. Diese Zustandsänderung wird zuverlässig erkannt: QKD-Protokolle sind so konzipiert, dass jeder Versuch eines Abhörers, die übertragenen Photonen zu beobachten, die Übertragung stört – und jede Störung wird erkannt.

Die Entwicklung erster QKD-Geräte war getrieben von wissenschaftlichen Arbeitsgruppen der Physik. Seit einigen Jahren schreitet die Kommerzialisierung voran. Rohde & Schwarz Cybersecurity bringt deshalb sein umfassendes Know-how rund um Sicherheitslösungen und seine Erfahrung im Bau und in der Implementierung sicherer Geräte und Systeme in zahlreiche Forschungsprojekte aktiv ein.

"Mit unserer Expertise tragen wir dazu bei, die Quantenkommunikation aus den Forschungslaboren raus in die Anwendungsumgebung zu bringen."
Falk Herrmann, CEO Rohde & Schwarz Cybersecurity

Innovation durch Kollaboration

Neben der rein technischen Entwicklung spielt der Austausch mit Kunden und die Beteiligung in Forschungs- und Industriegremien eine wichtige Rolle. Rohde & Schwarz hat sich deshalb früh in den entstehenden Netzwerken engagiert. Eine Auswahl:

Munich Quantum Valley

Das Munich Quantum Valley (MQV) ist eine Initiative zur Förderung der Quantenwissenschaften und Quantentechnologien in Bayern, gefördert durch das deutsche Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF). Das Projekt sieht den Bau eines Demonstrators mit bis zu 100 Qubits vor. Zurich Instruments ist verantwortlich für ein neues High-Fidelity-Ausleseschema für 3D-integrierte Qubits und für die Automatisierung von Kalibrierungsroutinen für Quantenprozessoren. Zu den Partnern zählen das Walter-Meißner-Institut, die Technische Universität München, Fraunhofer EMFT, Infineon, Kiutra, Parity Quantum Computing Deutschland und IQM Deutschland.

https://www.munich-quantum-valley.de/

QSolid

Ziel des Projekts ist der Bau eines supraleitenden Quantencomputer-Demonstrators mit mehreren Generationen von Prozessoren, die sich in Leistung, Größe, Präzision und Anwendungsbereich unterscheiden. Zurich Instruments ist verantwortlich für die Integration des Quantencomputer-Kontrollsystems in den Quantenstack und für die Optimierung von Datenübertragungsprotokollen mit hoher Kommunikationsbandbreite. Partner mit starker industrieller Beteiligung sind unter anderen Parity Quantum Computing Deutschland, HQS Quantum Simulations, Rosenberger Hochfrequenztechnik, IQM Deutschland, Supracon, Racyics, AdMOS, LPKF Laser & Electronics, Partec, Atotech und Atos Information Technology.

https://www.q-solid.de/

OpenSuperQ

Das Projekt ist Teil des sogenannten Quantum Flagship, eine der größten und ehrgeizigsten Forschungsinitiativen der Europäischen Union. OpenSuperQ zielt darauf ab, ein Quanteninformationsverarbeitungssystem mit bis zu 100 Qubits zu entwerfen, zu bauen und zu betreiben. An einem zentralen Standort soll es für externe Nutzer nachhaltig verfügbar sein. Zurich Instruments ist für die gesamte Raumtemperatur-Elektronik sowie für die Kontroll- und Messsoftware des Multi-QuBit-Systems verantwortlich. Wichtige Partner sind das Forschungszentrum Jülich in Deutschland, die Schweizer Hochschule ETH Zürich und die Chalmers University of Technology in Schweden.

https://opensuperq.eu/

Krypto-Bibliothek Botan für langlebige Sicherheit

Gemeinsam mit den Verbundpartnern Fraunhofer-Institut für Angewandte und Integrierte Sicherheit (AISEC), Technische Universität Berlin und Nexenio GmbH erweitert Rohde & Schwarz Cybersecurity eine Bibliothek um Krypto-Algorithmen, die resistent gegen einen Bruch durch Quantencomputer sind.

https://botan.randombit.net/

OpenQKD

Die Europäische Kommission hat ein Konsortium von rund 40 Projektpartner aus insgesamt 13 EU-Staaten rund um das Thema QKD ins Leben gerufen. Das Ziel: Infrastruktur für Test- und Kommunikationsnetzwerke zu erschaffen, um den Quanten-Schlüsselaustausch anwendungsfähig zu machen. In zukünftigen Folgeprojekten soll die Europäische Infrastruktur zur Quantenkommunikation (EuroQCI) vorangetrieben werden.

https://openqkd.eu/

DemoQuanDT

Das Projekt des deutschen Bundesministeriums für Bildung und Forschung zielt darauf ab, ein sicheres QKD-Netzwerkmanagementsystem innerhalb einer Telekommunikationsinfrastruktur zu erforschen, zu entwickeln und zu demonstrieren. Im Laufe des Projektes wird eine Quantenkommunikations-Teststrecke als Demonstrator die Städte Berlin und Bonn verbinden. Die Vision: Das längste Quantennetzwerk Deutschlands aufzubauen.

https://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/projekte/demoquandt

Quarate

Das Projekt Quarate wird durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert. Ziel ist es die Grenzen der klassischen Radartechnologie durch einen Quantenvorteil zu überwinden. Denn der Einsatz von Quantenmikrowellen und neuer Korrelationsmöglichkeiten können die Informationserfassung verbessern. Projektpartner sind das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), die Technische Universität München (TUM) und das Walther-Meißner-Institut (WMI).

https://www.quantentechnologien.de/forschung/foerderung/anwendungsbezogene-forschung-in-der-quantensensorik-metrologie-sowie-bildgebung/quarate.html