Sichere und effiziente Quantenkommunikation
Optische Fasern werden verwendet, um Informationen mit Lichtgeschwindigkeit zu übertragen. Die Technologie hat alltägliche Dienste wie die Telefon- und Internetkommunikation verändert und macht sie schneller und zuverlässiger als je zuvor. Diese Netze sind jedoch mit Problemen verbunden, wenn es um die sichere Übertragung von Daten geht. Identitätsdiebstahl und groß angelegte Cyberangriffe sind sowohl für den einzelnen Menschen als auch die Gesellschaft zu einem wichtigen Thema geworden. Deshalb wird immer mehr geforscht, wie künftige Kommunikationsnetze nicht nur energieeffizienter, sondern auch sicherer gemacht werden können.
Kodierung von Informationen auf einzelne Photonen
Im EU-finanzierten Projekt Qurope wurden mögliche Lösungen für diese Herausforderung auf dem Gebiet der Quantenphysik untersucht. Durch die Kodierung von Informationen auf ein einzelnes Photon kann eine absolut sichere Kommunikation erreicht werden. Es besteht jedoch immer noch die Notwendigkeit, Verluste bei der Übertragung von Quanteninformationen zu vermeiden. Diese Verluste entstehen, wenn die Photonen von der Faser, die sie durchqueren, absorbiert werden. Hier kommen die Quanten-Repeater ins Spiel. „Diese direkten Übertragungsverluste können durch einen Quanten-Repeater überwunden werden“, erklärt Projektkoordinator Klaus Jöns von der Universität Paderborn. „Dies wird dadurch erreicht, dass der Abstand zwischen den Kommunikationspartnern in kürzere Abschnitte unterteilt wird.“ Der Repeater nimmt das Signal auf, führt eine bestimmte Quantenmessung durch – die sogenannte Bell-Messung – und teleportiert den Quantenzustand auf ein anderes Lichtteilchen. Sollte dies gelingen, wäre das Quanteninternet in der Lage, Informationen zuverlässig – und effizient – über sehr große Entfernungen zu übertragen.
Ausnutzung des Phänomens der Quantenverschränkung
Das Projekt brachte Fachleute für Quantenlichtquellen und -detektoren, Quantenspeicher und photonische Quanteninformationsverarbeitung zusammen. Ein Hauptaugenmerk der Arbeit lag auf der Nutzung eines seltsamen Quantenphänomens, das als Verschränkung bekannt ist. Bei der Quantenverschränkung werden zwei Teilchen unabhängig von ihrer Entfernung über den Raum hinweg stark miteinander verbunden und korreliert. „In diesem Projekt machten wir große Fortschritte auf dem Weg zum Bau eines Quanten-Repeaters mit Festkörper-Quantenpunkt-Lichtquellen“, sagt Jöns. Quantenpunkte sind Halbleiterpartikel von nur wenigen Nanometern Größe. „Diese Quantenpunkte senden bei Bedarf verschränkte Photonen aus. Dann versuchten wir, diese Photonen mit Materialien zu verbinden, die in der Lage sind, Quantenspeicher aufzunehmen.“ Dies ist die Quantenversion eines gewöhnlichen Computerspeichers. Während herkömmliche Computer Informationen als binäre Zustände (d. h. in 1en und 0en) speichern, speichert der Quantenspeicher einen bestimmten Quantenzustand, der später abgerufen werden kann. Das Projektteam baute ein Prototypsystem, um dieses Konzept zu testen. Verschiedene Speichersysteme wurden mit Halbleiter-Quantenpunkten kombiniert, um telekommunikationsbasierte Quanten-Repeater herzustellen.
Die Zukunft der sicheren Quantenkommunikation
Zwar ist es dem Team gelungen, die Quanten-Repeater-Technologie voranzubringen, doch es ist noch weitere Arbeit erforderlich, um eine ausreichende Speicherzeit zu erreichen. Nichtsdestotrotz hat das Projekt gezeigt, was möglich ist, und dazu beigetragen, den Weg für die zukünftige sichere Quantenkommunikation zu ebnen. „Wir wollten zeigen, dass man mit Quanten-Repeatern geringere Verluste erzielen kann, als wenn man nur Photonen durch eine Faser schickt“, sagt Jöns. „Dies ist der entscheidende Vorteil eines Quanten-Repeaters.“ Diese Technologie könnte sich als unschätzbar wertvoll für die effiziente Verbindung von Quantengeräten in der Zukunft erweisen, so wie die Technologie des Internets der Dinge (IoT) intelligente Geräte in unserem Zuhause verbindet. Zu den Endanwendungen könnten Anwendungen der Quantensensorik und der Quantenbildgebung gehören. „Eine andere Möglichkeit sind Radioteleskope, die mit Quanten verbunden sind“, sagt Jöns. „Das wäre enorm leistungsstark und von großem Interesse für Menschen, die das Universum erforschen wollen.“
Schlüsselbegriffe
Qurope, Quanten, Kommunikation, Photonen, Cyberangriffe, Internet, Physik