Mit einem Flugexperiment zwischen Oberpfaffenhofen und Erlangen ist am 10. Oktober 2025 das neuste Schlüsselexperiment der Initiative QuNET erfolgreich zu Ende gegangen. Das Flugzeug bildete einen mobilen Knoten in einem Quantennetz und stellte eine Verbindung zu einer Bodenstation her. Dort wurden die Photonen erfolgreich empfangen und vermessen. Die Technologien aus dem demonstrierten Schlüsselexperiment sind wegweisend für zukünftige sichere Quantenkommunikation.
Bild: DLR
Es ist nicht einfach, einzelne Photonen von einem Flugzeug aus gezielt auf den Weg zu bringen, in einer Bodenstation einzufangen und auch zu erkennen. Forschenden ist das jetzt gelungen: Sie haben sogar mehrfach verschiedene Quantenkanäle zwischen einem Flugzeug und einer Bodenstation vermessen, Photonen an eine Ionenfalle geschickt und Technologien zur Quantenschlüsselverteilung getestet. Das Flugexperiment fand im Rahmen der QuNET-Initiative statt, die Technologien zur quantengesicherten Kommunikation entwickelt. Mit Photonen, also Lichtteilchen, können quantenkryptographische Schlüssel erzeugt werden, die die Kommunikation der Zukunft praktisch abhörsicher machen. Die Technologien sind außerdem wegweisend für ein zukünftiges Quanteninternet, das Quantencomputer miteinander verbindet.
An dem Experiment waren Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus dem Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR), dem Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL), der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen (FAU) sowie aus den Fraunhofer Instituten für Angewandte Optik und Feinmechanik (IOF) und Heinrich Hertz Institut (HHI) beteiligt. Die Ergebnisse wurden nun dem Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR) vorgestellt, das die QuNET-Initiative fördert. Die Quantenschlüsselverteilung ist für die Kommunikation von Regierungen und Behörden besonders wichtig, aber auch generell, um künftig Infrastruktur und Daten des täglichen Lebens zu schützen.
„Wir arbeiten an praxistauglichen Lösungen für die satellitenbasierte Quantenkommunikation, mit der Quantenzustände über große Distanzen übertragen und sichere Schlüssel erzeugt werden können. In der Glasfaser ist dies nur über wenige 100 Kilometer möglich. Die Quantenverschlüsselung via Satellit hingegen ermöglicht beliebig größere Distanzen auf der Erde“, erklärt Florian Moll vom DLR-Institut für Kommunikation und Navigation die zukünftige Technologie. Um lange Strecken zu überwinden, sollen Satelliten, Flugzeuge oder andere mobile Plattformen künftig ein Teil von Quantennetzen werden.
Geflogen wurde beim aktuellen Experiment mit einem DLR-Forschungsflugzeug der Einrichtung Flugexperimente. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben ein optisches Kommunikationsterminal in die Dornier 228 eingebaut. Das Flugzeug bildete einen mobilen Knoten in einem Quantennetz und stellte eine Verbindung zu einer optischen Empfangsstation am Boden her. Diese Bodenstation ist ein mobiler Container mit integriertem Empfangsterminal, der sogenannte QuBUS, bereitgestellt vom Fraunhofer IOF aus Jena.
Die Erforschung moderner Systeme zur hochsicheren Quantenkommunikation ist seit vielen Jahren ein Forschungsschwerpunkt des Fraunhofer IOF. In die jüngste Flugkampagne der QuNET-Initiative brachten die IOF-Forschenden ihr Knowhow gleich auf mehreren Ebenen ein: An Bord des DLR-Forschungsflugzeuges flog ein in Jena entwickeltes Modul mit integrierter Photonenpaarquelle zur Erzeugung quantenverschränkter Lichtteilchen mit. Diese Teilchen wurden vom Flugzeug an den QuBUS gesendet. Dort stellt ein spezielles Tracking sicher, dass das Empfangsterminal der Bodenstation das Flugzeug in seiner Bewegung nachverfolgt und die Verbindung aufrechterhält. Bei dem Austausch der Teilchen durch die Luft hindurch treten notwendigerweise atmosphärische Turbulenzen und Störungen auf. Diese zu korrigieren und damit für eine stabile Verbindung zu sorgen, ist Aufgabe eigens in Jena entwickelter adaptiver Optiken.
Für das aktuelle Experiment haben in den vergangenen Monaten mehrere Forschungsflüge über Erlangen stattgefunden, da die Ionenfalle zur Vermessung der empfangenen Lichtteilchen im Labor des ortsansässigen MPL aufgebaut ist. Vom QuBUS aus wurden die per Freistrahl eingefangenen Signale dafür anschließend in eine Glasfaser eingespeist und damit an die experimentellen Aufbauten im QuBUS sowie an die Labore des MPL weitergeleitet. Diese Einkopplung der Signale in die Glasfaser fiel gleichermaßen in die Verantwortung der Fraunhofer-Forschenden. „Das Tracking sowie die Faserkopplung, die vom Fraunhofer IOF bereitgestellt wurden, boten damit die notwendige Umgebung für die eigentlichen Experimente“, erklärt Christopher Spiess vom Fraunhofer-Institut aus Jena.
Einzelne Photonen sind schwierig zu handhaben: Für die Quantenkommunikation müssen sie mit hoher Qualität erzeugt werden und auch unter starken äußeren Störeinflüssen klar detektiert werden. Für bestmögliche Ergebnisse muss außerdem die Wellenlänge der Photonen präzise eingestellt werden. „Wir haben in den verschiedenen Versuchen gezeigt, dass das möglich ist. Die Vorgehensweise, die wir getestet haben, ist nicht nur von Flugzeugen aus möglich, sondern auch von Satelliten“, ergänzt Florian Moll.
Die Zustände der »fliegenden« Teilchen konnten in Messungen an der Ionenfalle des MPL erfolgreich nachgewiesen werden – was ein Ziel des Experiments war. Diese Kommunikationstechnologie kann zum Beispiel auch für die Anbindung von Quantenspeichern oder Quantencomputern in einem zukünftigen Quantennetz verwendet werden.