09.05.2023 • Quantenoptik / Photonik

Eine neue Technik für Anwendungen der Quantenkryptographie

Decoder ermöglicht Nutzung spezieller Lichteigenschaften für die Kommunikation.

Mit der Entwicklung von Quantencomputern droht die klassische Kryptographie für die sichere Kommunikation obsolet zu werden. Die Quantenkryptographie hingegen nutzt die Gesetze der Quantenmechanik, um uneingeschränkte Sicherheit zu gewährleisten. Ein Beispiel ist die Quantenschlüsselverteilung, die es zwei Parteien ermöglicht, eine Nachricht durch einen zufälligen geheimen Schlüssel zu sichern. Dieser wird mithilfe von Quantenteilchen, in der Regel Photonen, erzeugt. Wissenschaftler machen dafür zunehmend Gebrauch von einem Alphabet, das auf speziellen Eigenschaften der Photonen basiert, nämlich ihrer Farbkomposition. Bislang fehlte allerdings ein spezielles Gerät, um die Informationen wieder zu decodiert. Forschern der Uni Paderborn gelang es jetzt, einen solchen Decoder zu entwickelt.

Abb.: Wissenschaftler der Uni Paderborn haben einen Decoder entwickelt,... — Abb.: Wissenschaftler der Uni Paderborn haben einen Decoder entwickelt, der es ermöglicht, spezielle Lichteigenschaften für die Kommunikation zu nutzen. (Bild: B. Mazhiqi, U. Paderborn)

„Protokolle der Quantenschlüsselverteilung, die binäre Codierungen verwenden, sind weit verbreitet. Dennoch können ihre Sicherheit und Effizienz verbessert werden, wenn ein größeres Alphabet zur Codierung verwendet wird“, erläutert Benjamin Brecht von der Uni Paderborn. „Hier kommen die zeitlichen Pulsmoden zum Einsatz, bei denen die Informationen in der Farbzusammensetzung der Photonen codiert werden. Ein Schlüsselverteilungssystem, das auf diesen Moden basiert, erfordert einen mehrkanaligen Decoder, der in der Lage ist, alle Buchstaben eines Alphabets gleichzeitig zu lesen. Dieses Gerät wurde jedoch bisher noch nicht realisiert.“

Das Team hat jetzt ein Multi-Ausgangs-Quantenpuls-Gatter, kurz mQPG, entwickelt. Dieses trennt die eingehenden Buchstaben in verschiedene Ausgangsfarben, die sich dann mit einem Spektrometer erkennen lassen. Außerdem haben die Forscher einen vollständigen hochdimensionalen Decoder auf Basis des mQPG demonstriert, der Verschlüsselungsprotokolle auf der Grundlage einzelner Photonen ermöglicht.

„Die Vielseitigkeit des mQPG macht es zu einer wertvollen Ressource für viele Anwendungen der Quantenkommunikation und eröffnet zusätzlich weitere Möglichkeiten für alle auf temporären Moden basierenden Technologien“, betont Brecht.

U. Paderborn / RK