Quan­ten­sprung: Durch­bruch für siche­re Kom­mu­ni­ka­ti­on mit “künst­li­chen Ato­men”

Ers­te QKom-Tests in Nie­der­sach­sen über eine 79 km lan­ge Glas­fa­ser­ver­bin­dung von Han­no­ver nach Braun­schweig:

In einem gro­ßen wis­sen­schaft­li­chen Durch­bruch haben For­schen­de der Leib­niz Uni­ver­si­tät Han­no­ver (LUH), der Phy­si­ka­lisch-Tech­ni­schen Bun­des­an­stalt (PTB) in Braun­schweig und der Uni­ver­si­tät Stutt­gart eine neue Metho­de zur siche­ren Kom­mu­ni­ka­ti­on mit Halb­lei­ter-Quan­ten­punk­ten ent­wi­ckelt. Die­ser Fort­schritt könn­te die Art und Wei­se revo­lu­tio­nie­ren, wie wir ver­trau­li­che Infor­ma­tio­nen vor Cyber-Bedro­hun­gen schüt­zen.
Her­kömm­li­che Ver­schlüs­se­lungs­me­tho­den beru­hen auf kom­ple­xen mathe­ma­ti­schen Algo­rith­men und den Gren­zen der der­zei­ti­gen Rechen­leis­tung. Mit dem Auf­kom­men von Quan­ten­com­pu­tern wer­den die­se Metho­den jedoch zuneh­mend angreif­bar, sodass die Quan­ten­schlüs­sel­ver­tei­lung (Quan­tum Key Dis­tri­bu­ti­on, QKD) erfor­der­lich wird. QKD ist eine Tech­no­lo­gie, die sich die ein­zig­ar­ti­gen Eigen­schaf­ten der Quan­ten­phy­sik zunut­ze macht, um die Daten­über­tra­gung sicher zu machen. Durch die Ver­wen­dung von Ein­zel­pho­to­nen als Trä­ger von Quan­ten­schlüs­seln gewähr­leis­tet QKD, dass jeder Ver­such, die Kom­mu­ni­ka­ti­on abzu­fan­gen, sofort erkannt wird, da er Feh­ler in das Signal ein­bringt. Die­se Metho­de wur­de im Lau­fe der Jah­re stän­dig opti­miert, aber der Auf­bau gro­ßer Net­ze war auf­grund der Beschrän­kun­gen der vor­han­de­nen Quan­ten­licht­quel­len eine Her­aus­for­de­rung.
Das Team um die Pro­fes­so­ren Fei Ding, Ste­fan Kück und Peter Mich­ler hat auf die­sem Gebiet gro­ße Fort­schrit­te gemacht. Die For­schen­den ver­wen­de­ten Halb­lei­ter-Quan­ten­punk­te als Ein­zel­pho­to­nen­quel­len und erreich­ten damit hohe siche­re Schlüs­sel­über­tra­gungs­ra­ten über eine 79 Kilo­me­ter lan­ge Stre­cke zwi­schen Han­no­ver und Braun­schweig. Dies ist die ers­te Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­ons­ver­bin­dung in Nie­der­sach­sen.

Abbil­dung: Ver­tei­lung der Quan­ten­bits zwi­schen der Leib­niz Uni­ver­si­tät Han­no­ver (Ali­ce) und der PTB Braun­schweig (Bob) über 79 km ver­leg­te Glas­fa­ser mit einem Gesamt­ver­lust von 25,49 dB. Kar­ten­da­ten von Goog­le (©2023 Goog­le). Quel­le: Light: Sci­ence & Appli­ca­ti­ons (2024).

Pro­fes­sor Fei Ding erläu­tert den Durch­bruch: “Wir arbei­ten mit Quan­ten­punk­ten. Das sind win­zi­ge Struk­tu­ren, die Ato­men ähneln, aber auf unse­re Bedürf­nis­se zuge­schnit­ten sind. Zum ers­ten Mal haben wir die­se “künst­li­chen Ato­me” in einem Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­ons­expe­ri­ment zwi­schen zwei ver­schie­de­nen Städ­ten ein­ge­setzt. Die­ser Auf­bau, der als ‘Nie­der­sach­sen Quan­tum Link’ bekannt ist, ver­bin­det Han­no­ver und Braun­schweig über eine opti­sche Faser­stre­cke.“
Das Bedürf­nis nach siche­rer Kom­mu­ni­ka­ti­on ist so alt wie die Mensch­heit selbst. Die Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on nutzt die Quan­ten­ei­gen­schaf­ten des Lichts, um sicher­zu­stel­len, dass Nach­rich­ten nicht abge­fan­gen wer­den kön­nen. “Quan­ten­punk­te sen­den hier­bei ein­zel­ne Pho­to­nen aus, die wir kon­trol­lie­ren und zur Mes­sung nach Braun­schweig schi­cken. Die­ser Pro­zess ist grund­le­gend für die Ver­tei­lung von Quan­ten­schlüs­seln”, erklärt Ding. Er zeigt sich begeis­tert über das Ergeb­nis die­ser Zusam­men­ar­beit: “Vor eini­gen Jah­ren haben wir nur davon geträumt, Quan­ten­punk­te in der rea­len Welt der Quan­ten­kom­mu­ni­ka­ti­on ein­zu­set­zen. Heu­te sind wir sehr erfreut, dass wir ihr Poten­zi­al für vie­le wei­te­re fas­zi­nie­ren­de Expe­ri­men­te und Anwen­dun­gen in der Zukunft auf dem Weg zu einem “Quan­ten­in­ter­net” demons­trie­ren kön­nen.”

Hier geht es zum Arti­kel “High-rate inter­ci­ty quan­tum key dis­tri­bu­ti­on with a semi­con­duc­tor sin­gle-pho­ton source”, der in Light: Sci­ence & Appli­ca­ti­ons ver­öf­fent­licht wur­de.

Abbil­dung: Flie­gen­de Ein­zel­pho­to­nen, die von einem Quan­ten­punkt emit­tiert wer­den, wer­den in eine feld­ba­siert ein­ge­setz­te Faser in Han­no­ver ein­ge­kop­pelt und nach Braun­schweig geschickt. Quel­le: Light: Sci­ence & Appli­ca­ti­ons (2024).

För­de­rung:
1. Bun­des­mi­nis­te­ri­um für Bil­dung und For­schung (BMBF) – QR.X, SQuaD und SemI­QON
2. Euro­päi­scher For­schungs­rat (Euro­pean Rese­arch Coun­cil, ERC)  MiNet
3. EU-För­der­pro­gramm Hori­zont 2020  Quro­pe
4. EMPIR-Pro­gramm kofi­nan­ziert durch die teil­neh­men­den Län­der und das EU-För­der­pro­gramm Hori­zont 2020 – SEQUME
5. Deut­sche For­schungs­ge­mein­schaft (DFG)  Inter­Sync
6. Exzel­lenz­stra­te­gie des Bun­des und der Län­der – Quan­tum Fron­tiers
7. Pro­gramm für fle­xi­ble Mit­tel der Leib­niz Uni­ver­si­tät Han­no­ver

Autoren: Jing­zhong Yang, Micha­el Zopf

Urhe­ber der Abbil­dun­gen: © Dan Huy Chau, Jing­zhong Yang