Den Weg für sichere Quantenkommunikationsnetze bereiten
Mit dem Aufkommen von Quantencomputern werden klassische Verschlüsselungsmethoden immer anfälliger. Um die Kommunikation sicher zu gestalten, müssen sie durch die Quantenschlüsselverteilung ersetzt werden, eine Technologie, die die übertragenen Informationen gegen Angriffe durch Datenspionage schützt. Die Quantenschlüsselverteilung nutzt die Eigenschaften der Quantenphysik, um die Datenübertragung zu sichern, aber die Grenzen der vorhandenen Quantenlichtquellen haben den Aufbau großer Netze erschwert. Ein deutsches Forschungsteam, das zum Teil von den EU-finanzierten Projekten MiNet und Qurope und dem europäischen Metrologie-Programm für Innovation und Forschung unterstützt wurde, hat jetzt das erste städteübergreifende Experiment für Quantenschlüsselverteilung mit einer deterministischen Einzelphotonenquelle durchgeführt. Diese Errungenschaft wird in ihrer Studie beschrieben, die in der Zeitschrift „Light: Science & Applications“ veröffentlicht wurde. Sie wird die Art und Weise revolutionieren, wie unsere vertraulichen Informationen vor Cyberbedrohungen geschützt werden. „Wir arbeiten mit Quantenpunkten, das sind winzige Strukturen ähnlich wie Atome, aber auf unsere Bedürfnisse zugeschnitten“, erklärt der Hauptautor der Studie, Prof. Fei Ding vom MiNet-Projektkoordinator Leibniz Universität Hannover (LUH) in einem Artikel auf „Newswise“. „Erstmals haben wir diese ‚künstlichen Atome‘ in einem Quantenkommunikationsexperiment zwischen zwei verschiedenen Städten eingesetzt. Diese Einrichtung, die als ‚Niedersachsen Quantum Link‘ bezeichnet wird, verbindet Hannover und Braunschweig über Glasfaser.“
Von Alice zu Bob
Das Experiment fand im deutschen Bundesland Niedersachsen statt, wobei eine 79 km lange Faser die LUH in Hannover und die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig miteinander verband. Der Sender Alice an der LUH bereitet statisch einzelne Photonen vor, die in der Polarisation verschlüsselt sind. Der Empfänger Bob an der PTB enthielt einen passiven Polarisationsdecoder zur Entschlüsselung der Polarisationszustände der empfangenen Einzelphotonen, die durch die faserbasierten Quantenkanäle kamen. „Quantenpunkt-Bauelemente senden einzelne Photonen aus, die wir kontrollieren und zur Messung nach Braunschweig schicken. Dieser Prozess ist grundlegend für die Quantenschlüsselverteilung“, erklärt Prof. Ding. Im Ergebnis stand eine stabile und schnelle Übertragung von geheimen Schlüsseln. Die Forschenden wiesen zunächst nach, dass positive geheime Schlüsselraten (SKR) für Entfernungen von bis zu 144 km erreicht werden können, was einem Verlust von 28,11 dB im Labor entspricht. Die eingesetzte Glasfaserverbindung gewährleistete eine Übertragung des geheimen Schlüssels mit einer hohen Datenrate und einer niedrigen Quantenbitfehlerquote über 35 Stunden. Studienhauptautor Dr. Jingzhong Yang von der LUH erklärt: „Eine vergleichende Analyse mit bestehenden Systemen zur Quantenschlüsselverteilung, die Einzelphotonenquellen verwenden, zeigt, dass die in dieser Arbeit erreichte geheime Schlüsselrate über alle derzeitigen auf Einzelphotonenquellen basierten Implementierungen hinausgeht. Auch ohne weitere Optimierung der Quelle und des Aufbaus nähert sich die Leistung dem Niveau etablierter Protokolle zur Quantenschlüsselverteilung im Täuschungszustand, die auf schwachen kohärenten Impulsen basieren.“ Die Forschungsergebnisse verdeutlichen, dass eine nahtlose Integration von Halbleiter-Einzelphotonenquellen in realistische, groß angelegte und leistungsfähige Quantenkommunikationsnetze möglich ist. „Vor einigen Jahren haben wir nur davon geträumt, Quantenpunkte in der realen Welt der Quantenkommunikation einzusetzen“, bemerkt Prof. Ding. „Wir sind begeistert, dass wir heute ihr Potenzial für viele weitere faszinierende Experimente und Anwendungen in der Zukunft auf dem Weg zu einem ‚Quanteninternet‘ demonstrieren können.“ Das Projekt Qurope (Quantum Repeaters using On-demand Photonic Entanglement) wurde im Februar 2024 beendet. MiNet (Large-scale multipartite entanglement on a quantum metrology network) endet erst im Jahr 2027. Weitere Informationen: Projekt MiNet Qurope-Projektwebsite
Schlüsselbegriffe
MiNet, Qurope, Quanten, Quantenkommunikation, Quantenpunkt, Quantenschlüsselverteilung, Einzelphotonenquelle, Cyberbedrohung, Photonen