Abhörsichere Kommunikation Warum Quanten-Repeater für eine sichere Quanteninformation sorgen

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Die Übertragung von Quanteninformationen mit stark abgeschwächten Laserpulsen gilt als sichere Methode. Das Problem ist allerdings die Signalabschwächung. Daher sind neuartige Quanten-Repeater notwendig.

In einer zunehmend digitalisierten Gesellschaft ist die sichere Übertragung empfindlicher Daten eine zentrale Herausforderung. Die bisher eingesetzten kryptografischen Methoden könnten durch zukünftige Entwicklungen moderner Quantencomputer kompromittiert werden. Eine innovative Antwort darauf ist die quantenbasierte Kommunikation, die aktuell unter anderem von der Helmholtz-Gemeinschaft intensiv erforscht wird.

Ein grundlegendes Sicherheitsprinzip der Quantenkommunikation ist das sogenannte No-Cloning-Theorem: ein Quantenzustand – beispielsweise codiert in Form eines einzelnen Photons – kann nach den Regeln der Quantenphysik nicht verlustfrei dupliziert werden. „Bereits der Versuch, ein Quantenteilchen abzuhören, führt zwangsläufig zu nachweisbaren Fehlern im übertragenen Signal, wodurch jede Form der Manipulation direkt messbar gemacht wird“, sagt der Physiker David Hunger vom Karlsruher Institut für Technologie (KIT) der Helmholtz-Gemeinschaft.

Die technischen Herausforderungen lösen

Die technische Umsetzung einer sicheren Kommunikation birgt viele komplexe Herausforderungen, aber auch spannende Ansatzpunkte für Elektronikentwickler. Wichtig sind insbesondere:

• Signalübertragung mittels einzelner Photonen: Um Quanteninformationen zu übertragen, werden stark abgeschwächte Laserpulse verwendet, die häufig nur ein Photon enthalten.

• Problematik der Signalabschwächung: Bereits nach Distanzen von etwa 100 km gehen etwa 99 Prozent des Signals verloren. Hier sind völlig neuartige Quanten-Repeater notwendig, da klassische Verstärkermethoden aufgrund der quantenmechanischen Eigenschaften nicht einsetzbar sind.

• Miniaturisierung und Effizienzsteigerung: Aktuelle Forschungsbestrebungen konzentrieren sich intensiv auf die kompakte Integration und Effizienzsteigerung der Komponenten. Besonders relevant ist die Entwicklung und Optimierung von optoelektronischen Systemen zur kontinuierlichen-Variablen-Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution, QKD).

Der Quanten-Repeater

Quanten-Repeater adressieren das Problem der Signalverluste, indem sie Zwischenspeicher und verschränkte Zustände nutzen. Statt Photonen direkt zu verstärken, teilen sie längere Strecken in kleinere, leichter überbrückbare Segmente ein. In jedem Segment werden Photonenpaare verschränkt generiert und lokal gespeichert. Durch Kombination der einzelnen Teilstrecken lassen sich dann größere Entfernungen zuverlässig und sicher realisieren. Die Herausforderung liegt hier insbesondere darin, Quantenzustände so zu stabilisieren, dass sie in den Zwischenspeichern (Quanten-Memories) lange genug erhalten bleiben, ohne ihre kritische Kohärenz zu verlieren.

Quantenkommunikation in der Praxis – heute und morgen

David Hunger arbeitet und experimentiert zurzeit mit seiner Arbeitsgruppe und seinen Kollaborationspartnern an einer Glasfaser-Teststrecke des KIT zwischen dem Campus Süd in Karlsruhe und dem mehr als zehn Kilometer entfernten Campus Nord des Forschungszentrums bei Eggenstein-Leopoldshafen.

„Die Faserteststrecke wurde erst im Januar dieses Jahres eingeweiht. Seitdem tauschen wir erfolgreich Quantensignale zwischen den beiden Standorten aus, was uns die Erforschung der Quantenschlüsselverteilung unter echten Umgebungsbedingungen ermöglicht.“ Laut Hunger arbeiten sie bereits am nächsten Schritt in Richtung echtes Quanteninternet: Die abhörsichere Quantenkommunikation auf großer Distanz zur Verknüpfung von Quantencomputern. Eine Zukunftsmusik, deren erste Töne bereits zu vernehmen sind. (heh)

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