GMV wird eine wichtige Rolle bei der Machbarkeitsstudie von Caramuel spielen, der weltweit ersten Satellitenmission in einer geostationären Umlaufbahn, die auf die Verteilung von Schlüsseln mit Hilfe der Quantenkommunikation abzielt, einer der Technologien, die die sichere Übertragung von Informationen in der Zukunft definieren werden. Die von der Europäischen Weltraumorganisation (ESA) im Rahmen des ARTES 4S-Programms (Advanced Research in Telecommunication Systems - Space for Safety & Security) finanzierte Studie wird von einer Gruppe international maßgeblicher spanischer Unternehmen und Organisationen unter der mit großer Bedeutung Leitung von HISPASAT unterstützt, zu denen auch GMV als Experte für das zukünftige Caramuel-Bodensegment gehört.

Quantencomputer bieten eine viel höhere Rechenleistung als herkömmliche Computer, was für die Lösung bestimmter Fragen entscheidend ist, wie z. B. die Primfaktorzerlegung, auf der die heutige nicht-symmetrische Kryptographie beruht. Dies wird ein Paradigmenwechsel in der sicheren Kommunikation sein, da Angreifer mit Quantencomputern die derzeitige Verschlüsselung in Sekundenschnelle knacken können. Aus diesem Grund ist es unerlässlich, ein System zu entwickeln, das die Übermittlung von Informationen mit den erforderlichen Sicherheitsgarantien in staatlichen Kommunikationsumgebungen (zivil und militärisch) sowie bei der Verwaltung kritischer Infrastrukturen und Anwendungen und Diensten von wirtschaftlichem, ökologischem oder technologischem Interesse, aber auch in großen Unternehmen ermöglicht.

Mehr Sicherheit bei der Kommunikation

Die Quantenverteilung von Schlüsseln über ein optisches Kommunikationssystem ermöglicht es heute, mit Sicherheit zu prüfen, ob die Schlüssel abgefangen wurden, da ihre Integrität dank der Quanteneigenschaften der Photonen ständig überprüft wird. Terrestrische Netzwerke wie Glasfaserkabel können diese Integrität jedoch nur über Entfernungen von weniger als hundert Kilometern aufrechterhalten, da die Signalverluste keine größeren Entfernungen zulassen.

Die Verwendung von Satelliten für die Übermittlung von Schlüsseln per Quantenkommunikation hingegen überbrückt größere Entfernungen, da die Signaldämpfung im leeren Raum geringer ist. Insbesondere ermöglicht die geostationäre Abdeckung aus einer Umlaufbahn in 35.786 km Höhe diese Kommunikation zwischen ganzen Kontinenten mit einem einzigen Satelliten, kontinuierlich und ohne die Notwendigkeit einer Signalverfolgung.

Das Caramuel-System umfasst eine Quanten-Nutzlast an Bord eines geostationären Satelliten sowie das dazugehörige Bodensegment, bei dem GMV in der ersten Phase der Machbarkeitsstudie wichtige Arbeitspakete leitet. Während die Nutzlast aus einem Hochpräzisionsteleskop, einer Photonenquelle, die die Photonen zur Erhaltung ihrer Quanteneigenschaften einzeln zur Erde senden und der gesamten zugehörigen Elektronik besteht, setzt sich das Bodensegment aus dem Kontrollzentrum und den optischen Nutzerstationen zusammen. Die Hauptfunktion des Kontrollzentrums ist die Überwachung und Steuerung des gesamten Caramuel-Systems, sowohl an Bord des Satelliten als auch im Netzwerk der Bodenstationen. Diese Bodenstationen bestehen aus einem optischen Teil mit Teleskopen mit Öffnungen zwischen 80 Zentimetern und 1,80 Metern und kryogenen Empfängern, um die Photonen einzeln zu erfassen, und dem Teil, der für die Destillation der Schlüssel, ihre sichere Speicherung und Verwaltung und die Verbindung mit dem bodengestützten Quantennetzwerk zuständig ist. 

Die kritischsten Nutzer von Caramuel werden mit eigenen Teleskopen arbeiten, um nicht auf zwischengeschaltete Bodennetze angewiesen zu sein und ein Höchstmaß an Sicherheit zu erreichen. Im Gegensatz dazu können sich kommerzielle Nutzer, die kein eigenes Teleskop benötigen, zu geringeren Kosten in das terrestrische Quantennetzwerk integrieren, bis hin zu einem Zwischenknoten mit einem Teleskop (im Besitz eines Dienstanbieters), der sie über Satellit mit anderen Knoten desselben oder anderer Anbieter verbindet, wodurch ein globales Netzwerk entsteht.

So lässt sich Caramuel in terrestrische Infrastrukturen integrieren, um einen für den Endbenutzer nahtlosen und transparenten Verteilungsdienst für kryptografische Quantenschlüssel anzubieten. Als Proof of Concept für diese Mission wird eine satellitengestützte Verbindung zur Verteilung von Quantenschlüsseln zwischen zwei Knoten aufgebaut, die wiederum über eine terrestrische Infrastruktur mit den Sende- und Empfangszentren des Signals verbunden sind, d. h. mit Nutzern, die den Schlüssel gemeinsam nutzen wollen, um ihre Nachrichten sicher zu verschlüsseln.

An der von HISPASAT geleiteten Machbarkeitsstudie für Caramuel sind neben GMV Unternehmen wie Alter, Banco Santander, BBVA, Cellnex, Das Photonics, Indra, Oesia, Quside, Sener, Telefónica und Thales Alenia Space España beteiligt; weiterhin Institutionen und Universitäten wie das Nationale Kryptologische Zentrum (CCN), das Höhere Zentrum für Wissenschaftliche Forschung (CSIC), das Astrophysikalische Institut der Kanarischen Inseln (IAC), das Institut für Photonische Wissenschaften (ICFO), das Nationale Institut für Luft- und Raumfahrttechnik (INTA), die Polytechnische Universität von Madrid (UPM) und die Universität von Vigo.

Caramuel, ein wichtiger Beitrag zum sicheren europäischen Weltraum

Die Europäische Kommission (EK) kündigte im Juni 2019 ihr Manifest für eine Europäische Infrastruktur für Quantenkommunikation (EuroQCI) an, in deren Rahmen in den kommenden Jahren die ersten Quantenkommunikationsknoten in mehreren EU-Ländern eingerichtet werden sollen. Diese großstädtweiten Knotenpunkte werden über Satelliten miteinander verbunden, um ihre Ausfallsicherheit zu gewährleisten. Zu diesem Zweck wird das von der Europäischen Kommission geförderte sichere Satellitenkommunikationssystem diese EuroQCI-Satellitenverbindungen in seine Aufgaben einbeziehen. Mit Caramuel kann Spanien seinen wichtigsten Beitrag zu diesen europäischen Initiativen gestalten.

Die Machbarkeitsstudien für Caramuel, die nach den Voranalysen im Mai offiziell begonnen haben, werden voraussichtlich im Oktober dieses Jahres abgeschlossen sein. Derzeit wird an der vorläufigen Definition des Quantenschlüsselverteilungssystems und insbesondere an seiner End-to-End-Architektur gearbeitet, deren vorrangiges Ziel die Integration in das terrestrische Quantennetzwerk ist, sowie an der Analyse von realen Anwendungsfällen im Bankensektor und bei terrestrischen Betreibern.  Das Hauptziel des Caramuel-Projekts ist die Anpassung an die bestehenden Quantenkommunikationsstandards der International Telecommunications Union (ITU) und des European Telecommunications Standards Institute (ETSI).