Durchbruch für sichere Kommunikation mit „künstlichen Atomen“

Erste Quantenkommunikationsverbindung in Niedersachsen geschaffen.

Forschende der Leibniz Universität Hannover (LUH), 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.

Herkömmliche Verschlüsselungsmethoden beruhen auf komplexen mathematischen Algorithmen und den Grenzen derzeitiger Rechnerleistung. Durch Fortschritte in der Entwicklung von Quantencomputern werden diese Methoden jedoch immer anfälliger, so dass eine Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD) erforderlich wird. 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 die Professoren 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.

Professor 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 sogenannte 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 und zeigt sich begeistert über das Ergebnis der Zusammenarbeit: „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.“

Die aktuelle Arbeit wurde vom Europäischen Forschungsrat ERC, dem Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und weiteren Partnern gefördert und entstand unter Beteiligung des Exzellenzclusters QuantumFrontiers.

Originalveröffentlichung:

High-rate intercity quantum key distribution with a semiconductor single-photon source
Jingzhong Yang, Zenghui Jiang, Frederik Benthin, Joscha Hanel, Tom Fandrich, Raphael Joos, Stephanie Bauer, Sascha Kolatschek, Ali Hreibi, Eddy Patrick Rugeramigabo, Michael Jetter, Simone Luca Portalupi, Michael Zopf, Peter Michler, Stefan Kück, and Fei Ding
Light: Science & Applications 13, 150 (2024)
DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-024-01488-0

Hinweis an die Redaktion:

Für weitere Informationen steht Ihnen Prof. Dr. Fei Ding, Institut für Festkörperphysik an der Leibniz Universität Hannover, unter Telefon +49 511 762 4821 oder per E-Mail unter f.ding@fkp.uni-hannover.de gern zur Verfügung.

https://www.uni-hannover.de/de/universitaet/aktuelles/online-aktuell/details/news/durchbruch-fuer-sichere-kommunikation-mit-kuenstlichen-atomen