08.07.2020

Quantennetzwerk in Berlin

Nachwuchsgruppe „Quantum Communication Systems“ sucht nach Wegen zu einer sicheren Datenübertragung.

Die Entwicklung absolut sicherer Kommunikations­systeme ist das Ziel der BMBF-Nachwuchsgruppe „Quantum Communi­cation Systems“ um Tobias Heindel an der TU Berlin. Ausgestattet mit rund zwei Millionen Euro vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung kann seine Arbeits­gruppe erste Erfolge auf dem Weg zu einer sicheren Datenübertragung mittels Quantenlichtquellen aufweisen. „Wir sind dabei, die Quantenschlüssel­verteilung in diesen Systemen zu optimieren und weiter­zuentwickeln“, so Heindel. Die Forschungsergebnisse könnten in künftigen Quanten-Netz­werken Einsatz finden und deren Leistungs­fähigkeit entscheidend steigern. Zudem bekommt Heindel dieses Jahr den Karl-Scheel-Preis der Physikalischen Gesell­schaft zu Berlin verliehen.

Abb.: Für seine Arbeiten erhält Tobias Heindel den Karl-Scheel-Preis der...
Abb.: Für seine Arbeiten erhält Tobias Heindel den Karl-Scheel-Preis der Physika­lischen Gesellschaft zu Berlin. (Bild: F. Noak, TU Berlin)

Nimmt man als Sinnbild für die Quanten­kommunikation die sichere Verbindung zwischen Alice (Sender) und Bob (Empfänger), so haben die Wissenschaftler an beiden Seiten des Systems gefeilt. „Letztlich hat uns interessiert, wie muss Bob messen, um eine höchst­mögliche sichere Datenrate zu erreichen“, so Heindel. Für ihre Untersuchungen hat die Forschungs­gruppe ein Experiment aufgebaut, welches Einzel­photonenquellen für die Quantenkommunikation nutzt. Diese sind deshalb so interessant, weil einzelne Photonen im Gegensatz zu Laserpulsen die Sicherheit und die Übertragungsrate der Quanten­kommunikation erheblich steigern können. „Im Ergebnis haben wir gefunden, dass ein spezieller zwei­dimensionaler Filter bei Bob verwendet werden muss, um minimale Quantenbit-Fehler­raten zu erreichen und dennoch einen Großteil des Einzelphotonen­signals nutzen zu können“, so Heindel.

Zudem gelang es den Wissen­schaftlern mit ihrer Methode, die Photonen­statistik, also die zeitliche Verteilung einzelner Lichtquanten innerhalb des Quantenkanals, direkt während der Schlüssel­erzeugung zu messen, wodurch Lauschangriffe noch effektiver aufgedeckt werden können. Ihre Erkenntnisse wollen sie bald auch in einer Teleskop-Verbindung zwischen Gebäuden der TU Berlin testen. „Die dafür notwendigen Teleskop-Module werden derzeit schon gebaut“, so Doktorand Timm Kupko. „Zum anderen haben wir auch an dem Sender, also Alice, weiter­gearbeitet. Dazu haben wir uns sogenannte ‚Bullseye‘-Reso­natoren angesehen, deren Struktur einer Dartscheibe in Mikrometer­größe ähnelt, in deren Zentrum ein Quanten­emitter platziert ist. Unser Fokus lag darauf, das Design der Strukturen rechnerisch so zu optimieren, dass die Photonen direkt in optische Glasfaser eingekoppelt werden können, die kompatibel mit den weltweit genutzten Glasfaser­netzen in der Tele­kommunikation sind“, sagt Heindel.

Die so simulierten Bauteile versprechen Photonen-Auskopplungs­effizienzen von über 95 Prozent. Somit konnten die Wissenschaftler in ihren Rechnungen zeigen, dass die meisten Photonen direkt in die Glasfaser eingekoppelt werden – ohne dass eine weitere Optik dazwischen­geschaltet werden muss. „Unser Teammitglied Lucas Rickert ist aktuell dabei, erste Quantenlicht­quellen dieser Art im Reinraum des Zentrums für Nanophotonik an der TU Berlin herzu­stellen“, sagt Heindel.

Künftig wollen die Wissenschaftler ihren Blick verstärkt auch auf Verfahren der Quanten­kommunikation richten, die jenseits einer direkten Punkt-zu-Punkt-Verbindung liegen und auch komplexere Aufgaben adressieren, als die bloße Verteilung eines sicheren Schlüssels zwischen zwei Parteien. „Gemeinsam mit Kollegen der Freien Universität Berlin, der Humboldt-Universität zu Berlin sowie etlichen außer­universitären Forschungs­instituten in Berlin-Brandenburg arbeiten wir in Richtung eines Berlin-weiten Quanten­netzwerkes, dem Berlin Quantum Network“, beschreibt der Gruppenleiter die ehrgeizigen Zukunfts­pläne.

TU Berlin / JOL

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