Rekord der Langstrecken-Quantenkommunikation gebrochen
Das Forschungslabor Cambridge von Toshiba Europe hat einen Meilenstein der Langstrecken-Quantenkommunikation erreicht und diese erstmals über Glasfaser mit über 600 km Länge aufgebaut. Dank der Unterstützung der EU-finanzierten Projekte OPENQKD und QCALL wird dieser Erfolg den Weg für den durch Quantenkryptografie verschlüsselten Langstrecken-Informationsaustausch ebnen. Er stellt außerdem einen Schritt in Richtung des Aufbaus eines Quanteninternets dar. Das Quanteninternet ist ein globales Netzwerk aus Quantengeräten, die auf der Grundlage der Quantenmechanik über lange Strecken Informationen austauschen. Vor nicht allzu langer Zeit war diese Vorstellung nur Fiktion, doch jetzt ist das Quanteninternet ein reales und wichtiges Ziel für viele Länder auf der ganzen Welt. Die Umsetzung eines solchen Internets würde es ermöglichen, komplexe Optimierungsprobleme ganz einfach in der Cloud zu lösen. Außerdem würde präzise weltweite Zeitplanung und sichere Kommunikation über den gesamten Globus ermöglicht. Doch bevor das Quanteninternet Wirklichkeit wird, müssen noch einige Probleme gelöst werden. Eines der größten besteht in der Übertragung von Quantenbits, oder Qubits, über lange Strecken per Glasfaser. Qubits sind der Grundbaustein für die Quanteninformationsverarbeitung und bieten als solche viel Potenzial, doch sie sind aufgrund der Wechselwirkungen mit der Umgebung auch extrem instabil und fehleranfällig. Wenn die Glasfasern sich also aufgrund kleiner Änderungen in den Umweltbedingungen (wie Temperaturschwankungen) ausweiten oder zusammenziehen, wirft dies die instabilen Qubits durcheinander, die als Phasenverzögerung eines schwachen optischen Impulses in den Fasern verschlüsselt sind.
Zwei Wellenlängen retten den Tag
Die Forschenden von Toshiba Europe haben jetzt gezeigt, dass die Quantenkommunikation über eine Rekordstrecke von 600 km möglich ist. Dafür wurde die Methode der Dual-Band-Stabilisierung eingesetzt. Hierbei werden zwei optische Referenzsignale in unterschiedlichen Wellenlängen gesendet, um Phasenschwankungen in langen Fasern zu minimieren. Das erste Signal gleicht die verschiedenen Schwankungen aus, während das zweite (das mit der gleichen Wellenlänge gesendet wird wie die Qubits) für die Feinabstimmung der Phase verwendet wird. Dadurch konnte die optische Phase eines Quantensignals im Bereich eines Bruchteils einer Wellenlänge stabilisiert werden, selbst über hunderte Kilometer Glasfaser. Wie in einer Pressemitteilung auf „Fibre Optics Online“ berichtet wird, ist die erste Anwendung der Dual-Band-Stabilisierung die Langstrecken-Quantenschlüsselverteilung. Diese sichert die Kommunikation über Verschlüsselung und ermöglicht das Aufdecken möglicher Abhörversuche. Das Team von Toshiba Europe hat nun erstmals Quantenschlüsselverteilung über 600 km lange Glasfaserleitungen gezeigt. „Das ist ein enorm spannendes Ergebnis“, meint Mirko Pittaluga von Toshiba Europe in der gleichen Pressemitteilung. „Mit den von uns entwickelten Verfahren sind weitere Ausweitungen der Kommunikationsreichweite für die Quantenschlüsselverteilung möglich und unsere Lösungen können auch bei anderen Quantenkommunikationsprotokollen und -anwendungen eingesetzt werden“, meint Pittaluga weiter. Er ist auch der Hauptautor der entsprechenden Studie, die in der Fachzeitschrift „Nature Photonics“ veröffentlicht und durch OPENQKD (Open European Quantum Key Distribution Testbed) und QCALL (Quantum Communications for ALL) finanziert wurde. Mit diesem neuesten Fortschritt wird es möglich sein, Quantengeräte über Länder und Kontinente hinweg zu vernetzen. Das macht Zwischenknoten überflüssig und treibt den Aufbau des Quanteninternets der Zukunft voran. Weitere Informationen: OPENQKD-Projektwebsite QCALL-Projektwebsite
Schlüsselbegriffe
OPENQKD, QCALL, Quanteninternet, Quantenkommunikation, Glasfaser, Qubit, Quantenschlüsselverteilung, QKD
