Alltagstaugliche Quantenkommunikation Photonenchip verspricht stabile und leistungsfähige Netze

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Die Quantenkommunikation über größere Entfernungen war bisher ein Problem. Jetzt ist es Forschern gelungen, Lichtimpulse über längere Glasfaserstrecken mit bis zu 200 km zuverlässig zu übertragen. Was steckt hinter der Time-Bin-Kodierung?

Die Quantenkommunikation gilt als Schlüssel für eine sichere Datenübertragung der Zukunft. Doch die Umsetzung in reale Glasfasernetze stellt Entwickler noch immer vor technische Probleme. Forscher des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) in Jena und internationale Partner haben nun zwei vielversprechende Ansätze entwickelt, die zentrale technische Probleme der Quantenkommunikation lösen und bestehende Glasfasertechnik als Infrastruktur nutzen.

Höhere Datenrate durch photonische Time-Bin-Kodierung

Eine zentrale Schwierigkeit in der Praxis der Quantenkommunikation liegt darin, möglichst viele Informationen pro Photon zu übertragen, um Datendurchsatz und Effizienz zu maximieren. Das Team des Leibniz-IPHT hat hierzu ein neues Verfahren auf Basis der sogenannten Time-Bin-Kodierung entwickelt.

Photonen transportieren in diesem Verfahren Informationen durch ihre exakte Ankunftszeit, also in welcher Zeitspanne (Time Bin) sie registriert werden. Bisher ließen sich dabei nur zwei solcher Zeitfenster verlässlich unterscheiden. „Mit einer neuen photonischen Plattform können wir jetzt bis zu acht Zeitfenster parallel nutzen und damit die Menge der übertragbaren Informationen erheblich erhöhen“, beschreibt Prof. Dr. Mario Chemnitz vom Leibniz-IPHT das neu entwickelte Verfahren. „Man kann sich das wie ein Schubladensystem vorstellen: Statt nur einer Schublade lassen sich nun mehrere parallel öffnen – dadurch steigen Effektivität und Datenrate enorm.“

Die praktische Umsetzung erfolgt auf einem speziell entworfenen photonischen Chip aus Siliziumnitrid, einem Material, das sich optimal für integrierte optische Systeme eignet. Der kompakte Chip enthält winzige Interferometer zur Erzeugung und Verarbeitung verschränkter Photonen. Dieser ist auf kleinstem Raum integriert und kompatibel mit Standard-Fasern sowie herkömmlichen Telekom-Komponenten. Erste Experimente über 60 km Glasfaserstrecke verliefen bereits erfolgreich und ebnen so den Weg für praxisnahe Anwendungen hoher Datenraten und Datensicherheit.

Stabile Quantensignale auf große Entfernungen

Ein weiteres zentrales technisches Problem beim Praxiseinsatz der Quantenkommunikation ist die Dispersion: Dieser physikalische Effekt lässt Lichtpulse über längere Glasfaserstrecken auseinanderlaufen und erschwert die genaue Unterscheidung der Time Bins. Das Leibniz-Team hat hierzu nun eine praktikable Korrekturmethode entwickelt:

Die Wissenschaftler analysierten nicht nur den zeitlichen Abstand einzelner Photonen, sondern zusätzlich deren gemeinsame Ankunftszeit (Summenkorrelation). Im Gegensatz zur herkömmlichen zeitlichen Messung bleibt diese Summenkorrelation auch bei starker Dispersion stabil und ermöglicht dadurch zuverlässige Quantenkommunikation über deutlich längere Distanzen bis zu 200 km Glasfaser. Mit dieser Methode gelang den Forschern erstmals eine echte Reichweiten-Erweiterung bei gleichzeitig hoher Qualität und Sicherheit des empfangenen Signals.

Von der Grundlagenforschung zur industriellen Anwendung

Das Zusammenspiel beider Entwicklungen aus höherer Informationsdichte pro Photon sowie die Kompensation von Dispersionseffekten gewährleistet erstmals eine stabile und effiziente Quanten-Verschlüsselung über realistische Glasfaser-Infrastrukturen. Beide Methoden wurden mit etablierten Telekommunikations-Komponenten realisiert. Sie sind damit ausdrücklich auf praktische Vernetzungen in Industrie, Gesundheitswesen oder Behörden ausgerichtet.

Für Elektronikentwickler bedeuten diese Forschungsresultate konkrete technologische Ansätze, um Systeme mit erhöhter Sicherheit und Leistungsfähigkeit im realen Einsatz umzusetzen. „Unser Ziel ist es, Quantenlösungen nicht nur im Labor darzustellen, sondern praxisnah in bestehende technische Systeme zu integrieren“, fasst Mario Chemnitz die Zielrichtung des Forschungsteams zusammen. (heh)

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