Erste Qkom-Tests in Niedersachsen über eine 79 km lange Glasfaserverbindung von Hannover nach Braunschweig:
In einem großen wissenschaftlichen Durchbruch haben Forschende der Leibniz Universität Hannover (LUH), der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) in Braunschweig und der Universität Stuttgart eine neue Methode zur sicheren Kommunikation mit Halbleiter-Quantenpunkten entwickelt. Dieser Fortschritt könnte die Art und Weise revolutionieren, wie wir vertrauliche Informationen vor Cyber-Bedrohungen schützen.
Herkömmliche Verschlüsselungsmethoden beruhen auf komplexen mathematischen Algorithmen und den Grenzen der derzeitigen Rechenleistung. Mit dem Aufkommen von Quantencomputern werden diese Methoden jedoch zunehmend angreifbar, sodass die Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) erforderlich wird. QKD ist eine Technologie, die sich die einzigartigen Eigenschaften der Quantenphysik zunutze macht, um die Datenübertragung sicher zu machen. Durch die Verwendung von Einzelphotonen als Träger von Quantenschlüsseln gewährleistet QKD, dass jeder Versuch, die Kommunikation abzufangen, sofort erkannt wird, da er Fehler in das Signal einbringt. Diese Methode wurde im Laufe der Jahre ständig optimiert, aber der Aufbau großer Netze war aufgrund der Beschränkungen der vorhandenen Quantenlichtquellen eine Herausforderung.
Das Team um die Professoren Fei Ding, Stefan Kück und Peter Michler hat auf diesem Gebiet große Fortschritte gemacht. Die Forschenden 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.
Abbildung: Verteilung der Quantenbits zwischen der Leibniz Universität Hannover (Alice) und der PTB Braunschweig (Bob) über 79 km verlegte Glasfaser mit einem Gesamtverlust von 25,49 dB. Kartendaten von Google (©2023 Google). Quelle: Light: Science & Applications (2024).
Professor Fei Ding erläutert den Durchbruch: “Wir arbeiten mit Quantenpunkten. Das sind winzige Strukturen, die Atomen ähneln, aber auf unsere Bedürfnisse zugeschnitten sind. Zum ersten Mal haben wir diese “künstlichen Atome” in einem Quantenkommunikationsexperiment zwischen zwei verschiedenen Städten eingesetzt. Dieser Aufbau, der als ‘Niedersachsen Quantum Link’ bekannt ist, verbindet Hannover und Braunschweig über eine optische Faserstrecke.“
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. “Quantenpunkte senden hierbei einzelne Photonen aus, die wir kontrollieren und zur Messung nach Braunschweig schicken. Dieser Prozess ist grundlegend für die Verteilung von Quantenschlüsseln”, erklärt Ding. Er zeigt sich begeistert über das Ergebnis dieser Zusammenarbeit: “Vor einigen Jahren haben wir nur davon geträumt, Quantenpunkte in der realen Welt der Quantenkommunikation einzusetzen. Heute sind wir sehr erfreut, dass wir ihr Potenzial für viele weitere faszinierende Experimente und Anwendungen in der Zukunft auf dem Weg zu einem “Quanteninternet” demonstrieren können.”
Hier geht es zum Artikel “High-rate intercity quantum key distribution with a semiconductor single-photon source”, der in Light: Science & Applications veröffentlicht wurde.
Abbildung: Fliegende Einzelphotonen, die von einem Quantenpunkt emittiert werden, werden in eine feldbasiert eingesetzte Faser in Hannover eingekoppelt und nach Braunschweig geschickt. Quelle: Light: Science & Applications (2024).
Förderung:
1. Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) – QR.X, SQuaD und SemIQON
2. Europäischer Forschungsrat (European Research Council, ERC) – MiNet
3. EU-Förderprogramm Horizont 2020 – Qurope
4. EMPIR-Programm kofinanziert durch die teilnehmenden Länder und das EU-Förderprogramm Horizont 2020 – SEQUME
5. Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) – InterSync
6. Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder – Quantum Frontiers
7. Programm für flexible Mittel der Leibniz Universität Hannover
Autoren: Jingzhong Yang, Michael Zopf
Urheber der Abbildungen: © Dan Huy Chau, Jingzhong Yang
