[datensicherheit.de, 26.03.2026] Laut einer Meldung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) vom 24. März 2026 hat ein KIT-Forschungsteam einen wichtigen Fortschritt in der Quantenphysik und in der Materialforschung erzielt: Demnach konnten erstmals Kernspins in einem molekularen Material optisch initialisiert, kontrolliert und ausgelesen werden – Kernspins gelten aufgrund ihrer geringen Wechselwirkung mit der Umgebung als besonders stabile Träger von Quanteninformation. Die vorliegenden Ergebnisse zeigten, dass molekulare Kernspins ein vielversprechender Baustein für zukünftige Quantentechnologien sein könnten.

Abbildung: © Jo Richers

Das Prinzip lt. KIT: Die Kernspins des zentralen Europium-Ions (grün) im Molekülkristall lassen sich durch Laserlicht (blau) und Radiofrequenz (lila) adressiert kontrollieren und auslesen

Mithilfe von Laserlicht lassen sich Kernspins in definierte Zustände überführen und dann optisch auslesen

Die Kernspinresonanz (Nuclear Magnetic Resonance / NMR) gilt als eine etablierte Analysemethode, um Materialien und Moleküle zu untersuchen: Sie reicht laut KIT von der chemischen Analyse bis hin zur Quanteninformationsverarbeitung.

• In einer aktuellen Studie hatten KIT-Forscher einen Molekülkristall, der Europium-Ionen enthält, untersucht. „Diese Ionen besitzen besonders schmale optische Übergänge, die einen direkten Zugang zu den Kernspinzuständen ermöglichen.“ Mithilfe von Laserlicht hätten sie die Kernspins zunächst in definierte Zustände überführen und diese anschließend optisch auslesen können.

Neben der optischen Adressierung setzten die Forscher Hochfrequenzfelder ein, um die Spins zu kontrollieren und vor störenden Einflüssen der Umgebung zu schützen. Dabei erreichten sie eine Kernspin-Quantenkohärenz mit einer Lebensdauer von bis zu zwei Millisekunden – „einem Zeitintervall, in der ein Quantensystem einen genau definierten quantenmechanischen Zustand beibehält“.

Bauelemente auf Basis von Kernspins als stabile Träger von Quanteninformation

„Die Ergebnisse zeigen, dass molekulare Materialien eine vielversprechende Plattform für zukünftige Quantenbauelemente sein können“, kommentiert Prof. Dr. David Hunger vom Physikalischen Institut des KIT.

• Er führt weiter aus: „Besonders vorteilhaft ist, dass wir die Kernspins hier ohne störende Elektronenspins adressieren können. Dadurch lassen sich künftig besonders stabile und dicht gepackte Qubit-Register realisieren.“

Die untersuchten Molekülkristalle haben Forscher laut KIT am „Institut für QuantenMaterialien und Technologien“ und am „Institut für Nanotechnologie“ in der Forschungsgruppe von Prof. Dr. Mario Ruben synthetisiert und umfassend hinsichtlich ihrer Eignung als Quantenplattform charakterisiert.

Entwicklung skalierbarer Quantencomputer: Maßgeschneiderte Moleküle für atomar präzise Qubits

Langfristig eröffneten optisch adressierbare Kernspins in Molekülen neue Perspektiven für die Entwicklung skalierbarer Quantencomputer. Molekulare Systeme ließen sich chemisch maßschneidern und könnten so atomar präzise Qubits ermöglichen.

• Mit der optisch detektierten Kernspinresonanz (ODNMR) seien zudem neue hochauflösende NMR-Methoden realisierbar, welche in Zukunft die detaillierte Untersuchung komplexer Materialien ermöglichten.

Die Forschungsergebnisse unterstrichen damit das große Potenzial molekularer Systeme für zukünftige Quantentechnologien und lieferten einen wichtigen Schritt hin zu optisch vernetzbaren Quantenverarbeitungssystemen.

Weitere Informationen zum Thema:

KIT Karlsruher Institut für Technologie
Science for Impact

KIT Karlsruher Institut für Technologie
Physikalisches Institut (PHI): Research Group Hunger / Cavity Quantum Optics

KIT Karlsruher Institut für Technologie
INT Research Unit Ruben – Prof. Dr. Mario Ruben

KIT Karlsruher Institut für Technologie
Institute of Nanotechnology

KIT Karlsruher Institut für Technologie
Institut für QuantenMaterialien und Technologien (IQMT)

nature materials, Evgenij Vasilenko & Vishnu Unni Chorakkunnath & Jeremias Resch & Nicholas Jobbitt & Diana Serrano & Philippe Goldner & Senthil Kumar Kuppusamy & Mario Ruben & David Hunger, 19.03.2026
Optically detected nuclear magnetic resonance of coherent spins in a molecular complex

datensicherheit.de, 01.11.2025
Bedrohung der Datensicherheit durch Fortschritte bei Quantencomputern / Unternehmen stehen weitreichende Veränderungen hinsichtlich des Schutzes sensibler Informationen und Daten bevor – Quantencomputer rechnen immer schneller und bedrohen Public-Key-Verschlüsselungen

datensicherheit.de, 15.07.2025
Mittels Quantenphysik soll der Eisenbahnverkehr vor Sabotage geschützt werden / Forscher der Technischen Universität Berlin erproben abhörsichere Quantenkryptographie für die künftige Kommunikation im Zugverkehr

datensicherheit.de, 05.07.2025
Quantentechnologie: EU strebt Vorreiterrolle an / Die EU-Kommission hat am 2. Juli 2025 ihre „Quantum Strategy“ vogestellt – damit soll eine führende Rolle im globalen Wettlauf um Quantentechnologien angestrebt werden

datensicherheit.de, 16.05.2025
Quantencomputer werden die Welt verändern: Herausforderungen sowie Risiken kennen und Chancen nutzen / Rückblick auf das „FrühlingsForum 2025“ des VDI/VDE-AK Sicherheit und des ETV in Berlin mit Dr. Jan Goetz als Sprecher zum Thema „Quantencomputer – Was kommt nach KI? Wie Quantencomputer die Welt verändern können“

[datensicherheit.de, 22.12.2021] Laut einer aktuellen Meldung des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) können selbst physisch von der Außenwelt isolierte Computersysteme Angriffen ausgesetzt sein. Dies demonstrieren demnach IT-Sicherheitsexperten des KIT-Projektes „LaserShark“: „Mit einem gerichteten Laser lassen sich Daten an bereits in Geräten verbaute Leuchtdioden übertragen.“ So könnten Angreifer über mehrere Meter heimlich mit physisch isolierten Systemen kommunizieren. „LaserShark“ zeige, dass sicherheitskritische IT-Systeme nicht nur informations- und kommunikationstechnisch, sondern auch optisch gut geschützt sein müssten.

Abbildung: KASTEL/KIT

„Schematische Darstellung des versteckten optischen Kommunikationskanals, über den sich ein physisch isoliertes System angreifen lässt.“

Forschungsprojekt LaserShark präsentiert

„Hacker greifen Computer mit Lasern an – das könnte eine Szene in einem ,James Bond‘-Film sein, ist aber durchaus auch in der Wirklichkeit möglich.“ Anfang Dezember 2021 hätten Wissenschaftler des KIT sowie der TU Braunschweig und der TU Berlin bei der 37. „Annual Computer Security Applications Conference“ (ACSAC) ihr Forschungsprojekt „LaserShark“ präsentiert, welches versteckte Kommunikation über optische Kanäle untersuche.
Computer oder Netzwerke in sicherheitskritischen Bereichen, wie sie bei Energieversorgern, in der Medizintechnik oder bei Verkehrsleitsystemen zu finden sind, sind häufig physisch isoliert, um externe Zugriffe zu verhindern. Bei diesem „Air Gapping“ haben die Systeme weder drahtgebundene noch drahtlose Verbindungen zur Außenwelt.
Bisherige Ansätze, diesen Schutz über elektromagnetische, akustische oder optische Kanäle zu durchbrechen, funktionierten nur über kurze räumliche Entfernungen oder bei niedrigen Datenübertragungsraten; häufig ermöglichten sie lediglich das Herausschleusen von Daten.

Per Air Gapping geschützte Systeme: Mit gerichtetem Laserstrahl Daten ein- und ausschleusen

Die von der Forschungsgruppe „Intelligente Systemsicherheit“ am „KASTEL – Institut für Informationssicherheit und Verlässlichkeit“ des KIT gemeinsam mit Forschern der TU Braunschweig und der TU Berlin demonstrierte Methode könne hingegen gefährliche Angriffe einleiten:
Mit einem gerichteten Laserstrahl könnten Außenstehende Daten in mit „Air Gapping“ geschützte Systeme einschleusen und aus ihnen herausschleusen, ohne dass dazu zusätzliche Hardware vor Ort erforderlich sei.
„Diese versteckte optische Kommunikation nutze Leuchtdioden, wie sie bereits in Geräten verbaut sind, beispielsweise zur Anzeige von Statusmeldungen an Druckern oder Telefonen“, erläutert Juniorprofessor Christian Wressnegger, Leiter der Forschungsgruppe „Intelligente Systemsicherheit“ am KASTEL. Diese LEDs seien zwar eigentlich nicht für den Empfang von Licht bestimmt, ließen sich aber dafür einsetzen.

Laserlicht auf bereits eingebaute LEDs schafft versteckten optischen Kommunikationskanal

Indem die Forscher Laserlicht auf bereits eingebaute LEDs richteten und deren Reaktion aufzeichneten, hätten sie erstmals einen versteckten optischen Kommunikationskanal errichtet, welcher sich über Entfernungen bis zu 25 Metern erstrecke, dabei bidirektional – in beide Richtungen – funktioniere und hohe Datenübertragungsraten von 18,2 Kilobit pro Sekunde einwärts und 100 Kilobit pro Sekunde auswärts erreiche.
Diese Angriffsmöglichkeit betreffe handelsübliche, in Unternehmen, Hochschulen und Behörden genutzte Bürogeräte. „Unser Projekt ,LaserShark‘ zeigt, wie wichtig es ist, sicherheitskritische IT-Systeme nicht nur informations- und kommunikationstechnisch, sondern auch optisch gut zu schützen“, betont Juniorprofessor Wressnegger.
Um die Forschung zu diesem Thema voranzutreiben und den Schutz vor versteckter optischer Kommunikation weiterzuentwickeln, stellen die Forscher den in ihren Experimenten verwendeten Programmcode, die Rohdaten ihrer Messungen und die Skripte auf der „LaserShark“-Projektseite bereit.

Weitere Informationen zum Thema:

Karlsruhe Institute of Technology, Intelligent System Security
LaserShark: Establishing Fast, Bidirectional Communication into Air-Gapped Systems / Abstract

intellisec.de
LaserShark: Establishing Fast, Bidirectional Communication into Air-Gapped Systems

datensicherheit.de, 08.02.2018
Angreifer überwinden selbst Faradaysche Käfige und Luftstrecken / Warnung vor dem Zugriff auf vermeintlich hochsichere Computer

datensicherheit.de, 19.09.2017
Infiltration per Überwachungskamera: Bösartige Angriffe mit Infrarotlicht / Forscher der Ben-Gurion-Universität warnen vor Missbrauch

[datensicherheit.de, 23.05.2011] Das Wissenschaftler-Team um Prof. Jürg Leuthold vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) schlägt seinen eigenen Rekord in der Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung aus dem Jahr 2010, in dem es bereits die magische Grenze von 10 Terabit pro Sekunde, also eine Datenrate von 10.000 Milliarden Bit pro Sekunde, durchbrechen konnte:
Nun sei es gelungen, Daten im Umfang von 26 Terabit pro Sekunde auf einen einzigen Laserstrahl zu kodieren, 50 Kilometer weit zu übertragen und dann erfolgreich wieder zu dekodieren – dies sei die größte je auf einem Laserstrahl transportierte Datenmenge. Das am KIT entwickelte Verfahren ermögliche es, den Inhalt von 700 DVDs in nur einer Sekunde zu übertragen.

Foto: Gabi Zachmann

Prof. Jürg Leuthold, René Schmogrow, David Hillerkuß, Prof. Wolfgang Freude und Prof. Christian Koos (v.r.n.l.)

Ihr Ergebnis führe vor Augen, dass selbst bei extrem hohen Datenraten noch keine physikalischen Grenzen überschritten würden, sagt Leuthold
mit Blick auf das stetig wachsende Datenaufkommen im Internet. Die Übertragung von 26 Terabit pro Sekunde zeige, dass selbst hohe Datengeschwindigkeiten heute handhabbar seien. Datenraten von 26 Terabit pro Sekunde hätten noch bis vor wenigen Jahren selbst für Systeme mit vielen Lasern als utopisch gegolten – man habe auch noch gar keine Anwendungen dafür gehabt. Laut Prof. Leuthold hätte man mit 26 Terabit pro Sekunde bis zu 400 Millionen Telefongespräche gleichzeitig übertragen können. Heute jedoch dominierten Videoübertragungen das Internet und verlangten extrem hohe Bitraten; der Bedarf wachse ständig. In den Kommunikationsnetzen werden heute bereits erste Strecken mit Kanaldatenraten von 100 Gigabit pro Sekunde (entspricht 0,1 Terabit pro Sekunde) in Betrieb genommen. Die Forschung konzentriert sich nun darauf, Systeme für Übertragungsstrecken mit 400 Gbit/s bis zu 1 Tbit/s zu entwickeln. Die Karlsruher Erfindung greift somit der laufenden Entwicklung vor.

Foto: Gabi Zachmann

Überwachung der Signalpegel durch Prof. Leuthold

Für die Rekord-Datenkodierung wird das sogenannte „Orthogonale Frequenz-Division Multiplexing (OFDM)“ verwendet – das Verfahren wird seit Jahren in der Mobilkommunikation erfolgreich eingesetzt und greift auf mathematische Routinen (Fast Fourier Transformation) zurück. Die Kunst habe darin bestanden, das Verfahren nicht nur tausendmal, sondern für die Datenverarbeitung bei 26 Terabit pro Sekunde fast eine Million mal schneller zu machen, so Prof. Leuthold, der die Institute für
Photonik und Quantenelektronik sowie Mikrostrukturtechnik am KIT leitet.
Die bahnbrechnende Idee sei letztendlich die optische Umsetzung der mathematischen Routine gewesen. Dabei habe sich gezeigt, dass das Rechnen im optischen Bereich nicht nur außerordentlich schnell, sondern auch sehr energieeffizient sei.

Weitere Informationen zum Thema:

nature photonics
26 Tbit s?1 line-rate super-channel transmission utilizing all-optical fast Fourier transform processing / doi:10.1038/nphoton.2011.74

KIT, 23.05.2011
Weltrekord in ultraschneller Datenübertragung / Transport von 700 DVDs in nur einer Sekunde – Höchste Bitrate auf einem Laser