Satelliten-basierte Quantennetze

Entwicklung und Anpassung von Quantentechnologien für die Kommunikation im Weltraum

Unsere Forschungsgruppe widmet sich der Entwicklung und Anpassung von Quantentechnologien für Anwendungen in Satellitennetzen. Ziel ist es, die Leistungsfähigkeit und Effizienz von Kommunikationssystemen im Weltraum nachhaltig zu verbessern. Durch die enge Zusammenarbeit mit Partnern aus der Raumfahrtindustrie unterstützen wir die Integration dieser Technologien in Satelliten-Nutzlasten – für eine nahtlose Umsetzung und optimale Performance im Orbit.

Ein Schwerpunkt unserer Arbeit liegt auf der Erforschung neuartiger Quantenkommunikationsprotokolle zur sicheren Informationsübertragung in der Intersatellitenkommunikation. Wir untersuchen zukunftsweisende Ansätze wie Prepare-Measurement, messunabhängige QKD (Measurement-Device-Independent QKD), frame-unabhängige QKD, Twin-Field-QKD sowie hochdimensionale Verschränkung und Hyperverschränkung. Diese Protokolle schaffen die Grundlage für robuste, abhörsichere Kommunikationskanäle – entscheidend für die Zukunft der Raumfahrt und globalen Informationssicherheit.

Ausgestattet mit modernster Infrastruktur evaluieren wir Sender-, Empfänger- und Kanaltechnologien und verbessern systematisch bestehende Quantenkommunikationsprotokolle. Unser integrativer Forschungsansatz – von der Grundlagenforschung bis zur Anwendung – positioniert unsere Gruppe an vorderster Front in der Entwicklung sicherer und leistungsfähiger Kommunikationstechnologien für den Einsatz im All und auf der Erde.

Ihr Partner für

Prototypenentwicklung:
Von Breadboard-Modellen zu fortgeschrittenen TRL-Stufen

 

Schritt für Schritt führen wir diese Prototypen durch verschiedene Stufen der Technology Readiness Levels (TRL) und optimieren sie kontinuierlich für den praktischen Einsatz. Durch systematische Tests und Optimierungen stellen wir sicher, dass jeder Prototyp umfassend validiert ist – bis hin zu hochentwickelten Lösungen, die bereit sind für die Integration in bestehende Satellitensysteme und Netze.

Proof of Concepts:
Tests unter realen Einsatzbedingungen

 

Ein zentraler Bestandteil unserer Arbeit ist der Nachweis der Funktionalität unserer quantentechnologischen Entwicklungen unter Weltraumbedingungen. Durch die Erprobung in praxisnahen Szenarien können wir die Einsatzfähigkeit und Wirksamkeit unserer Lösungen in genau den Umgebungen demonstrieren, für die sie entwickelt wurden. Damit identifizieren wir potenzielle Herausforderungen frühzeitig und können diese gezielt adressieren, damit unsere Technologien auch unter den anspruchsvollen Bedingungen des Weltraums zuverlässig funktionieren. Dieser umfassende Validierungsprozess ist entscheidend, um das Vertrauen von Partnern und Stakeholdern zu gewinnen und den Übergang von der Theorie zur praktischen Anwendung erfolgreich zu gestalten.

Industrie-relevante Lösungen:
Für Raumfahrt und Quantenkommunikation

 

Unsere Expertise in der Entwicklung und Anpassung von Quantentechnologien mündet in umfassenden Lösungsangeboten, die gezielt auf die Anforderungen der Raumfahrt- und Quantenkommunikationsindustrie ausgerichtet sind. Wir bieten hochmoderne Technologien, die Sicherheit, Effizienz und Zuverlässigkeit der Kommunikation in Satellitennetzen deutlich verbessern. Unsere Lösungen sind darauf ausgelegt, sich nahtlos in bestehende Systeme zu integrieren und dabei signifikante Leistungssteigerungen zu ermöglichen. Durch die enge Zusammenarbeit mit Partnern aus der Industrie entwickeln wir maßgeschneiderte, skalierbare Lösungen, die gezielt auf spezifische Herausforderungen und Chancen im Raumfahrtssektor eingehen und so Innovation und Fortschritt in der Quantenkommunikation vorantreiben.

 

Leistungsschwerpunkte und Kompetenzen

Hardware:

  • Photonenpaarquellen: kundenspezifisches Design und Fertigung von Quellen verschränkter oder ununterscheidbarer Photonenpaare
  • Detektionsmodule:
    • Charakterisierung von Transmissions- und Detektionsmodulen im Freistrahl für Quantenschlüsselverteilung (engl. QKD) und für Anwendungen von Photonendistribution
    • Verifizierung und Validierung von Einzelphotonenzählern
  • Polarisationskontrolle: Entwicklung von Polarisationskontrolle und -kalibrierung – aktive und passive Techniken zur Aufrechterhaltung und Messung von Polarisationszuständen in Quantenkanälen 
  • Quantenoptik: Rapid Prototyping für F&E-Initiativen 
© Fraunhofer IOF
Ein funktionsfähiges Modell in Originalgröße (15 × 15 cm^2) einer verschränkten Photonenpaarquelle (EPS) für degenerierte Zustände.

Service:

  • Beratung Quantenkommunikation: Beratung zur Systemarchitektur für Quantenkommunikation – End-to-End-Design und Hardwareintegration
  • Beratung und Prüfung Optische Systeme: Beratung und Bewertung optischer Systeme unter realen Umweltbedingungen (insbesondere Vibration, Temperatur und Justagestabilität), um sicherzustellen, dass feldtaugliche Quantensysteme auch in extremen Einsatzszenarien robust und zuverlässig bleiben 

Infrastruktur:

Testbed für Quantenkommunikation und darüber hinaus. Testbed in verschiedenen Konfigurationen möglich – u.a. hybride Links von / bis zu Labor:

  • Innerstädtischer Freistrahl-Link (1,7 km)
  • Langreichweitiger Faser-Link (75 km)
  • Mobile Empfangs- und Sendestation für adhoc Freistrahl-Links (QuBUS)
  • Optische Bodenstation mit Teleskop (80 cm Durchmesser) zur Satellitenkommunikation – im Bau
© Fraunhofer IOF
Mobile Bodenstation QuBUS
© Fraunhofer IOF
Optische Bodenstation Jena
© Fraunhofer IOF
Innerstädtischer Freistrahl-Link
 

Märkte und Anwendungen

  • Satellitenkommunikation
    Sichere Kommunikation zwischen Satelliten und Bodenstationen.
  • Weltraumforschung
    Verwendung in Experimenten zur Untersuchung von Quantenphänomenen.
  • Sicherheitssysteme
    Schutz von sensiblen Daten und Kommunikation im Weltraum.
  • Quanteninternet
    Entwicklung von Quanten-Netzwerken für globale Kommunikation.
  • Militärische Anwendungen
    Sichere militärische Kommunikation und Datenübertragung.
  • Telekommunikation
    Verbesserung der Sicherheit in Kommunikationsnetzen.
  • Fernüberwachung
    Sichere Übertragung von Daten von Raumfahrzeugen zur Erde.
© Fraunhofer IOF
Kompakte und robuste Quelle zur Erzeugung verschränkter Photonenpaare basierend auf einem Sagnac-Loop Interferometer (18 x 9 cm^2). Vielversprechendes Design für eine CubeSat Mission und anpassbar für terrestrische Anwendungen.
 

Ihre Vorteile der Zusammenarbeit mit Uns

Die Zusammenarbeit mit uns bei der Entwicklung neuer Kommunikationstechnologien für den Weltraum bietet zahlreiche Vorteile. Als renommiertes Forschungsinstitut mit jahrelanger Erfahrung in der Optik und Feinmechanik stehen wir an der Spitze der Quanten-technologien. Unser Fachwissen ermöglicht es uns, modernste Forschung und innovative Lösungen zu nutzen, um die einzigartigen Herausforderungen der Raumkommunikation anzugehen. Die Zusammenarbeit mit uns bedeutet Zugang zu hochmodernen Einrichtungen, einem Team engagierter Forscher und einem starken Netzwerk von Industriepartnerschaften. Gemeinsam können wir Fortschritte erzielen, die die Sicherheit, Effizienz und Zuverlässigkeit in der Raumkommunikation verbessern und letztendlich zur Zukunft der Weltraumforschung und -technologie beitragen.

 

Technische Ausstattung

 

 

  • Hochmoderne Einzelphotonen Detektionssysteme für 1550 und 810 nm
  • Lasercharakterisierung (Spektrummessung, Leistungs- und Strahlprofiler)
  • Verschiedene optomechanische Architekturen und Konzepte für verschränkte Photonenquellen für 810 und 1550 nm und Hybrid (1550 + 810 nm)
© Fraunhofer IOF
Diese kompakte Quelle ist die Ausgangsbasis für die Entwicklung eines Engineering-Modells einer EPS innerhalb des EU-geförderten QUDICE-Projekt, dessen Ziel es ist, die Quanten-Nutzlast für eine Cubesat-Mission zu definieren.

Haben wir Ihr Interesse geweckt?

 

Dann kontaktieren Sie uns.

Wir entwickeln maßgeschneiderte Lösungen für photonische Fragestellungen aus der Industrie und Wissenschaft.

Sie haben Fragen?

 

Stellen Sie uns Ihre Fragen.
Wir helfen gern weiter.

Falls Sie Fragen zur Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer IOF haben, finden Sie unter folgendem Link weitere Informationen:  

 

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Dann sprechen Sie uns trotzdem an.

Wir entwickeln auch spezielle und innovative Lösungen, angepasst an die Anforderungen unserer Kunden.