Die Deutsche Telekom erprobt prototypisch Quantencomputing und Quantenkommunikationsanwendungen

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 / 27. August. 2021

Quantencomputing:

Lassen sich bereits heute Vorteile aus Quantencomputern der NISQ-Phase (Noisy Intermediate-Scale-Quantum) zur Bewältigung der täglichen Herausforderungen eines internationalen Telekommunikationsproviders und Systemintegrators erzielen?

Zur Beantwortung dieser Frage engagiert sich die Deutsche Telekom aktiv im BMWi[1]-geförderten Projekt PlanQK[2]. Konkret sind die Telekom-Laboratories (T-Labs), Forschungs-und Entwicklungsarm des Vorstandsbereichs Technologie & Innovation beteiligt. Sie nutzen die fruchtbare Zusammenarbeit mit verschiedenen Universitäten und Industriepartnern, um Optimierungs- und Maschine-Learning Anwendungen mit Hilfe von Quantencomputern zu lösen. Neben der Mitarbeit in öffentlich geförderten Projekten kooperiert die Telekom auch direkt mit Spezialisten der Optimierung, beispielsweise mit Fujitsu Technology Solutions. Die effektive und effiziente Lösung von Optimierungsproblemen hat direkten Einfluss auf die operativen Aufwände der Telekom und spielt in verschiedenen Bereichen des Unternehmens eine Rolle.

Netzwerkoptimierung: Die Telekom betreibt Kommunikationsnetze basierend auf unterschiedlichen Transportmedien und verschiedener Generationen. Als Beispiel seien Glasfaser-, Kupferkabel-, oder Mobilfunknetzwerke genannt. Diese Netzwerke bedürfen einer Optimierung hinsichtlich operativer Leistungsmerkmale wie Datendurchsatz oder Latenz, sowie planerischer Größen zum Netzausbau, wie Kapazität oder Architektur. Die folgenden Optimierungsprobleme wurden bisher betrachtet:

  • Traffic Engineering zur Auslastung von Glasfaser-Backbone-Netzwerken (insbesondere im Kontext des Multi-Commodity-Flow-Routing und des Segment-Routing).
  • Einsatz von Quantum Key Distribution (QKD)-Systemen abhängig von der – zur Verschlüsselung der Verkehrsanforderungen notwendigen – Schlüsselanzahl.
  • Frequenzzuweisung in GSM-Mobilfunknetzen (Global System for Mobile Communications), um die zur Verfügung stehenden Frequenzen ausschöpfen und gleichzeitig Störungen minimieren zu können.
  • Die dynamische spektrale Ressourcenverteilung in Mobilfunkzellen zur Garantie eines Quality-of-Service für den Kunden.

Auch der Ausbau der Glasfasernetze ist ein strategisches Thema für die Telekom. Der größte Kostentreiber für den Netzausbau sind Erdarbeiten. Deshalb wurde u.a. mit Hilfe von Quantencomputern versucht, mit einer auf einem Kataster basierenden Kostenstruktur die optimalen Grabungswege zur Anbindung von kundenseitigen Endpunkten an die Netzanschlussstellen zu berechnen.

Dienstplanoptimierung: Der technische Außendienst der Deutschen Telekom löst technische Probleme beim Kunden oder an den eigenen Standorten. Störungen werden abhängig von ihrer geographischen Lage, ihrer Schwere oder ihrer Priorität bearbeitet. Auch der Ausbildungsstand der Techniker oder die Öffnungszeit der Störung spielt zur Bestimmung der ressourcenoptimalen Einsatzpläne der Techniker eine Rolle. Diese kombinatorische Optimierung wurde als „Capacitated Vehicle Routing“ -Problem modelliert und anschließend auf einem adiabatischen Quantencomputer berechnet.

Customer-Relationship-Management (CRM): Das Management der Kundenbeziehung ist strategisch eine der wichtigsten Aufgaben eines Kommunikationsunternehmens.

Lassen sich aus den verfügbaren Kundendaten Aussagen über das zukünftige Kundenverhalten treffen? Zur Beantwortung dieser Frage wurden bereits einige Implementierungen im Bereich des Quantum-Machine-Learnings (QML) unternommen, z.B.

  • Klassifizierung von Missbrauch und Betrugsverhalten.
  • Bestimmung des optimalen Kontaktzeitraumes für den Kundendienst.

Industrielle Anwendungen: T-Systems, Tochter der Deutschen Telekom, bietet Industriekunden weltweit ICT- (Information and Communication Technologies) und Systemintegrationsdienstleistungen an. Sie entwickelt industrienahe Lösungen, die sich durch den Einsatz von Quantencomputern verbessern lassen. In diesem Kontext wurden bereits Lösungen optimiert.

  • MixSigma, ein Konzept für eine alternative Qualitätssicherungsmethode, zur Bestimmung der Zuordnung von Bauteilen zu einem letztlich vollintegrierten System.
  • Job Shop Scheduling, d.h. die Berechnung von Maschinenbelegungsplänen unter Berücksichtigung von automatisiertem Materialtransport durch Flurförderfahrzeuge.
  • Die Verkehrssignalsteuerung zur Verbesserung des Verkehrsflusses in Smart Cities, u.a. um die Emissionen in den Städten zu minimieren.”

Alle beschriebenen Anwendungen werden als Micro-Services bereitgestellt, in der Cloud betrieben und erlauben so potenziell eine Integration an bestehende Systeme und Abläufe der Telekom. Verwendete Quantencomputer sind Quanten-Annealer der Firma D-Wave, der Digital Annealer der Firma Fujitsu und, über das Projekt PlanQK finanziert, ein Quantencomputer der Firma IBM. Die Quantencomputer werden von den Micro-Services über eine Cloud API angesprochen und können remote über das Internet genutzt werden.

Die bisher implementierten Programme laufen erfolgreich auf den NISQ-Quantencomputern und erlauben den Vergleich mit bisherigen konventionellen Lösungen. Jedoch lässt sich aus unserer Sicht noch kein Vorteil bei den Ergebnissen durch die Quantenoptimierungs- und QML-Probleme erkennen. Die bisher durchgeführten Arbeiten erlauben aber eine kontinuierliche Re-Evaluierung der Performance zukünftiger Generationen von Quantencomputern und ihre schnellstmögliche Nutzung im Falle von vorteilhaften Lösungen.

Quantenkommunikation:

Wie schützen wir zukünftig unsere digitale Kommunikation vor Angreifern, die sich einen Quantencomputer zunutze machen?

Quantencomputer werden in der kommenden Dekade in der Lage sein, bestehende asynchrone Verschlüsselungsstandards zu brechen[3]. Die Gefahr, dass systemkritische Information zwischengespeichert und dann zu einem späteren Zeitpunkt entschlüsselt werden können, besteht schon heute. Alle intelligenten Geräte, die in den kommenden Jahren produziert werden und eine Lebensdauer von mehr als zehn Jahren haben, müssten notwendigerweise schon heute eine Technologie zur quantensicheren Verschlüsselung von Nachrichten einsetzen. Quantensichere Verschlüsselung in den Netzwerken eines Telekommunikationsproviders ist daher eine kritische Komponente in Bezug auf das Geschäftsmodell – auch das der Deutschen Telekom.

Post Quantum Cryptography (PQC) ist als zukünftiges asynchrones, quantensicheres Verschlüsselungsverfahren für den Einsatz auf Kommunikationsendgeräten gesetzt. Doch Netzbetreiber erforschen, auch aufgrund eines fehlenden PQC-Sicherheitsbeweises, den Einsatz von Quantum Key Distribution (QKD) zusammen mit beweisbar quantensicheren synchronen Kryptographie-Verfahren zur Absicherung der Verkehre. Dazu betreibt die Telekom in Berlin eine der vier OpenQKD[4]-Testumgebungen in Europa. Ziel: Eine herstelleragnostische Integration der QKD-Systeme in europäische Providernetze und die Erprobung verschiedener Übertragungsmethoden von klassischen und quantenoptischen Kanälen in Fasernetzwerken. Auch hier wird die Forschungs- und Entwicklungsarbeit über T-Labs und den Vorstandsbereich Technologie & Innovation, in enger Zusammenarbeit mit den Experten aus den Bereichen der Deutsche Telekom Technik und Telekom Security, maßgeblich durchgeführt.

Abbildung 1 (links) zeigt verschiedene Glasfaserstrecken, die im Rahmen des Deutsche Telekom Open Integration Lab aufgebaut wurden und betrieben werden. Das ermöglicht entsprechende neuste Technologien, Netz- und Systemarchitekturen sowie innovative Entwicklungen und Lösungen zeitnah und im Vorfeld der Markteinführung zu testen und zu demonstrieren.

Beispielsweise zeigt Abbildung 1 (rechts) den Aufbau des QKD-Netzwerkknotens Alice, der im Rahmen des EU Flagship-Projekts OpenQKD im QuantumLab Berlin aufgebaut wurde. Er umfasst neben QKD-Systemen verschiedener Hersteller (Fa. IDQuantique und Fa. Toshiba), einem Hardware Security Modul (HSM) zur sicheren Aufbewahrung der kryptographischen Schlüssel (Fa. Gemalto) und einem optischen Endpunkt der Fa. Adva Optical, auch ein voll funktionsfähiges Schlüsselmanagementsystem, das von der Telekom entwickelt und implementiert wurde. Im Vergleich zum ETSI-Standard weist es erhöhte Sicherheitsmerkmale, wie vollständig PQC-verschlüsselte Kommunikationsstrecken, auf. QKD-Netze mit Kommunikationsanwendungen, die die verteilten, quantensicheren Schlüssel verwenden, können untersucht und demonstriert werden.

Abbildung 1: Oben: das Netz des OpenQKD-Testbed in Berlin, betrieben in den Laboren am Standort Winterfeldtstrasse (WFD), mit diversen Endpunkten im Berliner Raum. Unten: ein QKD Knoten mit vier QKD-Systemen, optischen Endpunkten, Verschlüsslern, Hardware Security Modulen, Switchen und Applikationsservern.

Im weiteren Verlauf der Arbeiten im OpenQKD-Projekt werden im Quanten-Testbed Berlin unterschiedliche Realisierungmöglichkeiten des quantenoptischen Kanals untersucht, getestet und demonstriert. Die optimale Ausnutzung der Glasfaser für Quantenkanäle bei gleichzeitiger Nutzung des Glasfasernetzes für klassische Kommunikationskanäle steht dabei im Mittelpunkt.

Quellen und Referenzen:

[1] Bundesministerium für Wirtschaft und Energie

[2] Plattform für KI-gestütztes Quantencomputing

[3] IBM Roadmap, die veröffentliche Steigerung der Qbit Anzahl pro Jahr extrapoliert, unter der Annahme einer funktionsfähigen Fehlerkorrektur zur Anwendung des Shor-Algorithmus.

[4] OpenQKD, EU Flagship-Projekt, gefördert durch die Europäische Kommission im Rahmen des Innovationsprogrammes „Horizon 2020“.

Über den Autor / die Autorin:


Dr. rer-nat Marc Geitz ist seit 2001 bei der Deutschen Telekom in mehreren Positionen und seit 2013 bei den Telekom Innovation Laboratories beschäftigt.Seit 2018 arbeitet er an potenziellen Anwendungsmöglichkeiten der Quantentechnologie, insbesondere Quantenkommunikation und -computing für Netzwerkprovider.

Dr.-Ing. Oliver Holschke ist seit 2013 als System Architect im Bereich Strategic R&D bei den T-Labs beschäftigt. Dort entwickelte er eine Netzverkehrs-Monitoring-Lösung für internationale Telko-Kunden. Seit 2020 verantwortet er das R&D-Programm zu Quantentechnologien und zukünftigen Netzkonzepten.

Dr.-Ing. Ralf-Peter Braun diplomierte 1985 und promovierte 1995 an der TU Berlin. Seit 1997 beschäftigt er sich bei der Deutschen Telekom auf Gebieten der optischen und drahtlosen Nachrichtentechnik u.a. mit der Quantenkryptographie. Er ist Mitglied im VDE, ITG und in der IEEE 802.3 Arbeitsgruppe.