Die Quantenkommunikation könnte die nächste Entwicklungsstufe erklimmen: Wissenschaftlern der Universität Twente ist es gelungen, über zehn Bit Informationen mit einem einzigen Photon zu senden. Sie nutzten hierzu ein ausgeklügeltes Verfahren zur Erfassung von individuellen Photonen. Die aus der Studie gewonnenen Erkenntnisse könnten die Sicherheit und Geschwindigkeit der Quanten-kommunikation verbessern.
Abb.: Illustration eines großen Symbolalphabetes, das zur Kodierung umfangreicher Informationen (mehr als 10 Bit) in einem einzelnen Photon dienen kann. (Bild: U. Twente)
Auf die Frage, wieviel Informationen mit einem Photon zu übertragen wären, würden die meisten Wissenschaftler vermutlich antworten, dass es sich um ein Bit handeln müsse. Bei einem Bit werden zwei Möglichkeiten transportiert, kann etwa „1“ oder „0“ gewählt werden. Theoretisch aber gibt es keine Grenze für die Informations-menge, die mit einem Photon zu verschicken ist. Allerdings beschränken zahlreiche praktische Gründe die Informations-menge pro Photon. Mit dem neuen, innovativen Verfahren gelang es, mit einer einzigen Licht-partikel mindestens 10,5 Bit Informationen zu übertragen.
Aber wie gelangten die Wissenschaftler zu dieser außergewöhnlichen Informations-menge? „Sie können es vergleichen mit einem Laserpointer, mit dem Sie auf eine Buchstaben-tafel leuchten“, erläutert Pepijn Pinkse. Der beleuchtete Buchstabe sei die Information, die im Licht des Laserpointers enthalten sei. „Die Anzahl der Buchstaben auf der Tafel bestimmt die Menge an Informationen, die sie mit dem Licht versenden können.“ Der Haupt-unterschied besteht aber darin, dass Pinkse und sein Team ein Alphabet mit 9072 Zeichen kreierten und die Information – anders als beim Beispiel Laserpointer – mit einem einzigen Photon übertragen wird.
Und genau hierin lag die Herausforderung der Forschung: das Aufspüren einzelner Photonen (single photon detection). Rauschen – also beliebige Photonen – könnte die Messung behindern. Die Forscher erarbeiteten daher eine Strategie, um jede Störung zu beseitigen. Sie nutzten die Tatsache, dass sich einzelne blaue Photonen in exakt zwei rote Photonen umwandeln lassen. Die Forscher ließen das erste Photon ein Signal an den Detektor senden. Die Folge: Der Detektor öffnete sich sehr kurz. Das zweite Photon wurde dagegen durch einen Spiegel auf den entsprechenden Buchstaben des künstlichen Alphabets gerichtet. Die Wissenschaftler ließen das Photon aber einen kleinen Umweg nehmen, so dass es genau zum gleichen Zeitpunkt am Ziel-buchstaben ankam, als sich der Detektor öffnete. Da der Detektor nur zu diesem Zeit-punkt Photonen durchlässt, konnten die Forscher auf diese Weise Störungen vermeiden.
Praktisch gesehen sei es schwierig, die maximale Informations-menge zu bestimmen, die mit einem einzigen Photon gesendet werden könne, sagt Pinkse. „Nutzt man unser Verfahren, dann gibt es aber keine theoretische Grenze für die Informationsmenge, die verschickt werden kann. Die Informations-menge ist abhängig von der Größe des kreierten Alphabets. Selbst wenn ein Alphabet mit so vielen Zeichen erstellt würde, wie es Atome in diesem Universum gibt, wäre es dennoch nur möglich, maximal 270 Bits mit einem Photon zu versenden.“
Pinkse, der sich übrigens in der Vergangenheit bereits einen Namen mit einer nicht zu hackenden Kreditkarte machte, sieht als bedeutendstes Ziel der Forschung, die Quanten-kommunikation auf ein höheres Niveau zu heben. „Je mehr Informationen mit einen Photon zu übermitteln sind, desto sicherer und schneller ist die Quanten-kommunikation zu gestalten.“
U. Twente / DE
