Licht macht Kommunikation

Sobald der Datenschutz oberste Priorität hat, oder es um andere sensible Informationen geht, kommt die Quantenkommunikation ins Spiel. Dank spezieller Quantenzustände ist es so möglich, Nachrichten abhörsicher zu übertragen. Allerdings ist die Methode bislang noch begrenzt. Das soll sich nun ändern. In zwei aktuellen Studien haben Forschende des Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) in Jena und internationale Partner untersucht, wie Glasfaser dafür sorgen kann, dass Quantenkommunikation alltagstauglich wird. Während der eine Ansatz die Informationsdichte pro Photon erhöht, verbessert ein zweiter die Stabilität der Übertragung über lange Distanzen. Beide Methoden setzen auf bestehende Komponenten aus der Telekommunikation. Der Vorteil: So entsteht eine praktikable Lösung, die sich in reale Netze integrieren lässt.

Quantenverschlüsselung erstmalig auf Langstrecke erfolgreich durchgeführt

Sowohl in Krankenhäusern, bei Behörden als auch in der Industrie könnte die Quantenkommunikation künftig eine entscheidende Rolle spielen. Das gilt für alle Branchen, in denen sensible Daten besonders geschützt werden müssen. In der Quantenkommunikation werden einzelne Photonen in speziellen quantenphysikalischen Zuständen übertragen. Ein großer Vorteil: Jeder Versuch, das System zu manipulieren oder abzuhören, verändert die Photonen und lässt sich dadurch nachweisen. Allerdings gilt es noch einige technische Hürden zu überwinden, damit Quantenkommunikation auch außerhalb des Labors funktioniert. Zwei dieser Hürden haben sich die Forschenden gewidmet – der Erhöhung der Informationsdichte und der Sicherstellung der Signalstabilität über große Entfernungen.

Glasfaser ermöglicht Quantenkommunikation: Mehr Information pro Photon

Die erste Studie konzentrierte sich auf die sogenannte Zeit-Bin-Kodierung. Hierbei transportieren Photonen Informationen über den exakten Zeitpunkt ihrer Ankunft. Sie beinhalten das sogenannte Zeitfenster, auch „Time Bin“ genannt, in dem sie erfasst werden. Bislang konnten meist nur zwei Zeitfenster unterschieden werden. Ausgangspunkt des neuen Ansatzes war eine photonische Plattform, die es erlaubt, bis zu acht dieser Time Bins pro Photon parallel zu nutzen. Dadurch wird die Datenrate signifikant gesteigert. „Man kann sich das wie ein Schubladensystem vorstellen. Statt nur einer Schublade lassen sich nun mehrere parallel öffnen – dadurch können mehr Informationen gleichzeitig übertragen werden“, erläutert Mario Chemnitz, Professor am Leibniz-IPHT und an der Friedich-Schiller-Universität Jena, anschaulich.

Die Plattform basiert auf einem neu entwickelten photonischen Chip aus Siliziumnitrid, der verschränktes Licht erzeugt und verarbeitet. Der photonische Chip nutzt winzige Interferometer, die speziell für die Führung von Licht auf kleinstem Raum ausgelegt. An der Entwicklung des Chips war auch das Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) in Kanada beteiligt. Die Tests über 60 Kilometer Glasfaser waren bereits erfolgreich.

Stabile Verbindungen dank Glasfaser

Die zweite Studie widmete sich der Frage, wie die Stabilität der Quantenkommunikation über große Entfernungen sichergestellt werden kann. Mit zunehmender Distanz wird das Signal durch physikalische Effekte wie Dispersion gestört, was die exakte Unterscheidung der Zeitfenster erschwert. Das Forschungsteam entwickelte eine Methode, um diesen Effekt zu kompensieren. Sie untersuchten den Abstand zweier Photonen und zugleich deren gemeinsame Ankunftszeit. Dieses Phänomen, die sogenannte Summenkorrelation, bleibt selbst bei starker Dispersion stabil. Bei ihrer erstmaligen Nutzung ließ sich so die Reichweite einer verschlüsselten Quantenverbindung auf bis zu 200 Kilometer Glasfaseräquivalent ausdehnen. Gleichzeitig konnten die Forschenden sogar eine höhere Signalqualität und Sicherheit messen. Glasfaser ermöglicht Quantenkommunikation somit auch auf langen Strecken, was für den Einsatz in großflächigen Netzwerken von zentraler Bedeutung ist.

„Mit der ersten Studie zeigen wir, wie sich mehr Informationen pro Photon übertragen lassen. Die zweite zeigt, wie diese Informationen auch in realistischen Fasernetzwerken zuverlässig ankommen“, erklärt Chemnitz. Beide Ansätze ergänzen sich und bringen die Vision einer sicheren Kommunikation mit bestehender Infrastruktur einen großen Schritt näher. Während die eine Methode die Menge der übertragbaren Informationen pro Photon erhöht, sorgt die andere für eine stabile Übertragung über weite Strecken. Auf diese Art und Weise, so sind sich die Forschenden sicher, werde Quantenkommunikation praxistauglich. Besonders wichtig ist ihnen dabei das Zusammenspiel von Grundlagenforschung und technischer Umsetzung. Ziel sei es, die entwickelten Technologien eines Tages auch im Alltag, etwa in der medizinischen Diagnostik oder in autonomen Sensoren einzusetzen.