Sichere Kommunikation mit künstlichen Atomen

Forschende der Leibniz Universität Hannover, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt PTB in Braunschweig und der Universität Stuttgart haben eine neue Methode zur sicheren Kommunikation mit Halbleiter-Quantenpunkten entwickelt. Diese Weiter­entwicklung könnte die Art und Weise revolutionieren, wie vertrauliche Informationen vor Cyber-Bedrohungen geschützt werden. Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) ist eine Technologie, die sich die einzig­artigen Eigenschaften der Quantenphysik zunutze macht, um die Datenübertragung zu sichern. Durch die Verwendung einzelner Photonen als Träger von Quanten­schlüsseln gewährleistet QKD, dass jeder Versuch, die Kommuni­kation abzufangen, sofort erkannt wird, da der Versuch selbst bereits Fehler in das Signal einbringt. Diese Methode wurde im Laufe der Jahre ständig optimiert, aber ein Aufbau großer Netze war aufgrund der Beschränkungen der vorhandenen Quanten­lichtquellen bisher kaum möglich.

Das Team um Fei Ding, Stefan Kück und Peter Michler hat auf diesem Gebiet nun große Fortschritte gemacht. Sie verwendeten Halbleiter-Quantenpunkte als Einzelphotonen­quellen und erreichten damit hohe sichere Schlüsselübertragungsraten über eine 79 Kilometer lange Strecke zwischen Hannover und Braunschweig. Dies ist die erste Quanten­kommunikations­verbindung in Niedersachsen. Fei Ding vom Institut für Festkörper­physik der LUH erklärt den Durchbruch: „Wir arbeiten mit Quantenpunkten, also winzigen Strukturen, die Atomen ähneln, aber auf unsere Bedürfnisse zugeschnitten sind. Zum ersten Mal haben wir diese künstlichen Atome jetzt in einem Quanten­kommunikations­experiment zwischen zwei verschiedenen Städten eingesetzt. Dieser Aufbau, der Niedersachsen Quantum Link, verbindet Hannover und Braunschweig über eine optische Faser.“

Das Bedürfnis nach sicherer Kommunikation ist so alt wie die Menschheit selbst. Die Quanten­kommunikation nutzt die Quanten­eigenschaften des Lichts, um sicherzustellen, dass Nachrichten nicht abgefangen werden können. „Quantenpunkt-Geräte senden einzelne Photonen aus, deren Polarisierung wir kontrollieren und zur Messung nach Braunschweig schicken. Dieses Verfahren ist von grundlegender Bedeutung für die Verteilung von Quanten­schlüsseln“, beschreibt Ding den Prozess.

„Noch vor wenigen Jahren haben wir nur davon geträumt, Quantenpunkte in realen Quanten­kommunikations­szenarien einsetzen zu können. Heute haben wir ihr Potenzial für viele weitere faszinierende Experimente und Anwendungen in der Zukunft und auf dem Weg zu einem Quanten­internet demonstriert“, sagt Ding. Die aktuelle Arbeit wurde vom Europäischen Forschungsrat ERC, dem Bundes­ministerium für Bildung und Forschung und weiteren Partnern gefördert und entstand unter Beteiligung des Exzellenz­clusters Quantum­Frontiers.