Quantentechnologien für die Netze der Zukunft

• Antragsteller: Dr. Janis Nötzel
• Fachliche Zuordnung: Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 389690694

Zu den historischen Entwicklungen und aktuellen Trends gehört das Aufkommen lokaler, landesweiter und globaler Informationsverarbeitungssysteme, die eine wachsende Zahl von Sensoren, Maschinen und Personen miteinander verbinden. Die Netze der sechsten Generation werden nicht nur mobile Geräte für die Daten- und Sprachübertragung miteinander verbinden, sondern auch unzählige kleine Sensoren und Geräte, die einer alternden Gesellschaft eine Vielzahl neuer Dienste bieten sollen. Trotz ihres großen Potenzials sind moderne Kommunikationsnetze aufgrund ihres verteilten Charakters extrem anfällig für Angriffe auf mehreren Ebenen. Die Umwandlung von immer mehr Diensten in Netzdienste macht dieses zunächst akademische Wissen zu einem wichtigen Bestandteil für das zukünftige Systemdesign. Typische Angriffe machen Teile von Informationen unzugänglich, ersetzen sie durch falsche Informationen, stehlen sie oder verstecken sie in Falschinformationen. Die gleichzeitige Entwicklung der Quantentechnologien lässt hoffen, dass zumindest einige der oben genannten Probleme durch die neue Technologie gelöst werden können. Sie verspricht beispielsweise völlig neue niedriglatente Koordinationsmechanismen für Vielfachzugriffskanäle, sowie eine vollkommen sichere Informationsübertragung, die durch die Gesetze der Physik garantiert wird - sobald Robustheit gegen Umgebungsrauschen und Störangriffe vorliegt, Langzeit-Quantenspeicher zur Verfügung stehen und falls neue physikalische Transportmedien die niedrigen Datenraten der neuen Technologie kompensieren oder bestimmte Interferenzkanäle erzeugen. Auf der Grundlage unserer Argumentation könnte die Relevanz der Quanteninformationstechnologie in Frage gestellt werden. Die Entwicklung der fundamentalen Grundlagen dieser Technologie zeigten jedoch beispielsweise auch die Unmöglichkeit sicherer Funktionsberechnung ohne eine vertrauenswürdige dritte Partei. In Anbetracht unseres Bedarfs an neuen Netzdiensten lässt sich eine gründliche Modellierung von Kommunikationssystemen unter Verwendung der Quantentheorie daher eindeutig nicht vermeiden. Ziel dieses Projekts ist es daher, die Modellierung von Transportmechanismen, sicheren Datenübertragungssystemen und Detektions- sowie Berechnungsmechanismen auf der physikalischen Schicht voranzutreiben. Diese Ziele werden im größeren Kontext von physikalisch transparenten Netzen untersucht. Wir definieren ein physikalisch transparentes Netz als ein Netzwerk, welches einen physikalischen Freiheitsgrad, möglicherweise beeinflusst durch Rauschen, zwischen Endpunkten transportieren kann. Dieser Begriff bedingt das teilweise Fehlen einer Analog-Digital-Wandlung, sodass jede infinitesimale Änderung des physikalischen Parameters durch einen sendenden Endpunkt zu einer entsprechenden Änderung des physikalischen Parameters an einem oder mehreren empfangenden Endpunkten des Netzes führt. Physikalische Transparenz bedeutet nicht zwangsläufig die Fähigkeit zur Übertragung von Quanteninformation.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen
• Internationaler Bezug: Italien, Spanien
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Dr. Matteo Rosati; Professorin Angeles Vazquez-Castro