Elektrische Einzelphotonenquelle für die Quantenkryptografie
Mit Halbleiter-Nanostrukturen haben Physiker einzelne Photonen elektrisch erzeugt und über einen Quantenkanal übertragen
Für die Datenübertragung im Internet werden elektrische Computersignale in Lichtsignale umgewandelt und durch Glasfaserkabel zum Empfänger geleitet. Dort werden sie wieder in elektrische Signale umgewandelt. Diese Lichtsignale lassen sich an der Glasfaser anzapfen, so dass ein Unbefugter unbemerkt Daten abfangen kann. Das gelingt allerdings nicht unbemerkt, wenn einzelne Lichtteilchen, Photonen, für eine quantenkryptographische Verschlüsselung verwendet werden.
Abb.: Diese Struktur aus Halbleitermaterial mit integrierten Quantenpunkt-Nanostrukturen sendet einzelne Photonen aus. (Bild: Physikalisches Institut, U. Würzburg)
Bei dieser Art der Verschlüsselung ist in einer Folge aus Lichtteilchen jedes einzelne Photon individuell polarisiert – vertikal, horizontal oder diagonal. Die Art der Polarisierung lässt sich von einem Dritten im Allgemeinen nicht erfassen, ohne sie dadurch zu verändern. Sender und Empfänger würden es darum sofort merken, wenn ein Unbefugter ihren Datenverkehr „belauscht” und versucht, den ursprünglichen Zustand des Lichtteilchens nachzuahmen.
Die derzeit verwendete quantenkryptographische Technik nutzt stark abgeschwächte Laser als Einzelphotonenquellen. Auch wenn dies schon erste Anwendungen gefunden hat, gibt es noch erhebliche Nachteile. „Bei abgeschwächtem Laserlicht werden einzelne Photonen zu völlig zufälligen Zeitpunkten freigesetzt, so dass manchmal auch mehrere Photonen zugleich entstehen“, erklärt Sven Höfling vom Physikalischen Institut der Universität Würzburg.
Das wiederum könnten Hacker nutzen, um unbemerkt Informationen aus dem Datenfluss zu ziehen. Deshalb müssen bei der Quantenkommunikation mit abgeschwächten Lasern komplexe Verfahren der Datenübertragung eingesetzt werden, um eine abhörsichere Kommunikation zu gewährleisten.
Eine ideale Einzelphotonenquelle dagegen setzt laut Höfling immer nur dann ein Photon frei, wenn sie angeregt wird, etwa durch einen elektrischen Impuls. Physikern der Universitäten Würzburg, München und Stuttgart ist nun der Einsatz einer solchen Einzelphotonenquelle in der Quantenkommunikation gelungen.
Für ihre Einzelphotonenquellen integrierten die Forscher Nanostrukturen aus Halbleitermaterial in Mikroresonatoren. Diese Quellen senden mit hoher Wahrscheinlichkeit bei jedem elektrischen Puls ein einzelnes Photon aus. Durch das Einprägen von Information in die Polarisation der Photonen lässt sich quantenkryptographisch ein Schlüssel erzeugen, wie die Forscher in ihren Laborexperimenten gezeigt haben.
Doch die Übertragung der Photonen muss nicht nur im Labor, sondern auch über weitaus längere Strecken gelingen. Erfolgreiche Arbeiten dazu haben die Forscher in einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt bereits durchgeführt. Dabei konnten sie in der Innenstadt von München eine abhörsichere Quantenkommunikation mit elektrisch betriebenen Einzelphotonenquellen über eine rund 500 Meter lange Freistrahlteststrecke über Dächer hinweg realisieren.
Die Wissenschaftler aus Würzburg, München und Stuttgart wollen aber noch sehr viel längere Übertragungsstrecken erreichen. Dazu erforschen sie in einem vom BMBF geförderten Verbund gemeinsam mit weiteren Forschungsgruppen derzeit Bausteine für „Quantenrepeater“. Diese stellen Analoga zu Signalverstärkern in der klassischen Kommunikationstechnik dar und sind essentiell für eine Quantenkommunikation mit großer Reichweite.
U. Würzburg / PH
