QuNET & MOBIXHAP - Mobile Knoten für die Quantenkommunikation

Das Vorhaben “Mobile Knoten” (QuNET+MOBIXHAP) hat zum Ziel, eine Höhenplattform (HAP) für die frei strahlbasierte Quantenschlüsselverteilung zu entwickeln und zu demonstrieren. Die Methode der Schlüsselverteilung mittels Lichtquanten, die sogenannte Quantenschlüsselverteilung (engl. Quantum Key Distribution, QKD) ist ein vielversprechender Ansatz, da aufgrund fundamentaler physikalischer Gesetze Quantenschlüssel nicht unbemerkt abgefangen und kopiert werden können. Die QKD-Technologie lässt sich sowohl in glasfaserbasierten, terrestrischen Kommunikationsnetzen als auch in Freistrahlsystemen einsetzen. Bei längeren Übertragungsstrecken ist jedoch eine freistrahlbasierte Übertragung der Quantenschlüssel mittels Satelliten oder hochfliegender Plattformen von Vorteil. Das Gesamtsystem soll autark operieren und den Störeinflüssen sowie den widrigen Einsatzbedingungen in der Stratosphäre widerstehen können.

Das IPMS unterstützt bei der Entwicklung der Anforderungen an das Gesamtsystem im Hinblick auf die Rahmenbedingungen des HAPs. Dabei entsteht ein Systemkonzept mit Schwerpunkt auf der Payload Management Unit (PMU) und deren Vernetzung innerhalb des HAPs und deren Auswirkungen auf die anderen Komponenten des HAPs. Auch spezielle Aspekte der PMU, wie Payload Network, System Network, Control Core Integration, Optical Extension Interface und Control Software werden hier beleuchtet.

In einem nächsten Schritt werden Mikrocontroller mit Netzwerkkomponenten integriert, die neben der Kommunikation eine präzise Zeitsynchronisation unter den Systemkomponenten der mobilen Knoten gewährleisten. Dafür kann auf die am Fraunhofer IPMS existierenden IP-Lösungen zurückgegriffen werden. Die PMU setzt darüber hinaus Steuer- und Überwachungsaufgaben im System um. Danach werden die zu erwartenden Parameter für die optische Verbindung (sogenannte Link-Budgets) für bestimmte Szenarien ermittelt. Daraus können Quantenschlüsselerzeugungsraten für die verschiedenen Protokolle und Quellen berechnet werden. Die Performance der Systemschnittstellen HAPS – HAPS und HAPS – Bodenstation werden in einem 3 Knotennetzwerk Demonstrator nachgewiesen.

Abschließend wird, abgeleitet aus den Spezifikationen des HAPS, das Systemdesign für den gesamten Testaufbau des Teilsystems HAPS erarbeitet. Dies beinhaltet alle Tests zur Demonstration der Quantenschlüsselverteilung sowie alle Vortests. Der Schwerpunkt des Fraunhofer IPMS liegt in der Unterstützung der Integration der PMU und des Zusammenspiels mit allen angeschlossenen Komponenten im HAPS.