27.04.2020

Ein Alphabet für das Quanteninternet

Internationales Projekt zur großskaligen Quantenkommunikation gestartet.

Daten­sicherheit ist heute wichtiger denn je. Benjamin Brecht, feder­führender Wissenschaftler einer Arbeitsgruppe der Universität Paderborn, entwickelt daher mithilfe der Quanten­physik Lösungen für effiziente Datenv­erschlüsselungen. In einem Anfang März gestarteten Forschungs­projekt wollen die Physiker die Grundsteine für die hoch­dimensionale Quanten­kommunikation zwischen mehreren Gesprächs­partnern legen. Das internationale Vorhaben „QuICHE – Quantum information and communication with high-dimensional encodings“ wird als Teil der QuantERA-Initiative der EU auch vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung gefördert.

Abb.: In einem neuen Forschungs­projekt wollen Physiker der Universität...
Abb.: In einem neuen Forschungs­projekt wollen Physiker der Universität Paderborn die Grundsteine für die hoch­dimensionale Quanten­kommunikation zwischen mehreren Gesprächs­partnern legen. (Bild: B. Mazhiqi, U. Paderborn)

„Aktuell werden Daten mithilfe von mathematischen Algorithmen verschlüsselt. Allerdings werden diese Verfahren mit der Entwicklung eines Quanten­computers obsolet, da er in der Lage sein wird, genau diese Verschlüs­selung effizient zu knacken“, so Brecht. „Wie kann ich dann sicherstellen, dass niemand meine E-Mails oder Text­nachrichten liest? Glücklicher­weise bietet der Übeltäter – die Quantenphysik – gleichzeitig auch Abhilfe: Quanten­kommunikation ist beweisbar sicher und kann nicht abgehört werden“, so Brecht weiter. Der Grund dafür liegt in den Quanten­eigenschaften einzelner Photonen, die es erlauben, potentielle Lauscher schon vor der Daten­übertragung zu erkennen. Brecht: „Zwar gibt es schon erste kommerzielle Ansätze für die Quanten­kommunikation, allerdings sind sie noch weit von einer praktischen Anwendung, wie zum Beispiel einem echten Quanten­internet, entfernt.“

Genau das soll sich jetzt ändern: Leibniz-Preis­trägerin Christine Silberhorn von der Universität Paderborn will zusammen mit ihrer Arbeitsgruppe die ersten Grundsteine für die hoch­dimensionale Quanten­kommunikation zwischen mehreren Gesprächspartnern legen. Das heißt konkret: Für die Übermittlung von Quanten­botschaften wurde bislang eine einfache Codierung genutzt. Ein Photon entspricht dabei einem Bit, also einer 1 oder einer 0. Werden Eigenschaften des Licht­teilchens gezielt manipuliert, so lassen sich gleich mehrere Bits pro Photon codieren. Es entsteht eine Art Alphabet. Zusammen mit Partnern aus Deutschland, Groß­britannien, Frankreich, Italien und Polen erforschen die Wissen­schaftler neue theoretische und experimentelle Ansätze für die großskalige Quanten­kommunikation. 

Der Beitrag der Paderborner Forscher liegt in der Entwicklung neuartiger Geräte, die es erstmalig erlauben, ein großes Alphabet zur Daten­codierung zu verwenden, das durch Glasfasern übertragen wird. Dazu Brecht: „Je größer das verwendete Alphabet, desto mehr Infor­mation kann mit einem einzelnen Photon übertragen werden. Damit kann ich meine Daten schneller versenden. Zudem erhöht sich durch die Verwendung eines großen Alphabets auch die Sicherheit des Systems, da Lauscher besser identifiziert werden können.“ Das große Ziel des Projekts ist die Demonstration eines sicheren Quanten­kommunikations­systems mit mindestens fünf Buchstaben, das Daten schneller verschlüsseln kann als exis­tierende Ansätze. Erste Ergebnisse werden in etwa einem Jahr erwartet.

U. Paderborn / JOL

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