Abhörsicherer Datenaustausch per Quantenkommunikation angestrebt

Lichtquanten sollen fit für die Datenautobahn werden

[datensicherheit.de, 06.10.2012] Technologien wie Quantenkommunikation oder Quantencomputer eröffnen völlig neue Perspektiven wie prinzipiell abhörsicheren Datenaustausch oder die sekundenschnelle Berechnung komplexer Probleme. Bei diesen Technologien spielen einzelne Lichtteilchen, sogenannte Lichtquanten oder Photonen, eine fundamentale Rolle als Informationsträger. Die Wellenlänge dieser Photonen liegt oft im sichtbaren Spektralbereich – das macht sie für den Versand durch lange Glasfaserkabel ungeeignet.
Physiker der Universität des Saarlandes und der Universität Stuttgart haben nun in einem gemeinsamen Experiment gezeigt, wie man diese Probleme lösen kann, indem sie die Wellenlänge einzelner Photonen mithilfe eines Kristalls gezielt veränderten. Die wissenschaftliche Arbeit wurde jetzt in der renommierten Fachzeitschrift „Physical Review Letters“ veröffentlicht.
Bei der Erzeugung von Lichtteilchen mit genau bestimmten Eigenschaften kämpfen Wissenschaftler seit über 30 Jahren mit Herausforderungen. Die Wellenlängen der Photonen, die von den bislang untersuchten Quantensystemen ausgesandt werden, bewegen sich sehr häufig im sichtbaren oder nahinfraroten Spektralbereich zwischen 600 bis 1.000 Nanometer. Diese Lichtteilchen sind für den Transport über längere Glasfaserstrecken ungeeignet, da sie viel zu große Verluste erfahren. Um längere Strecken zu überbrücken, ist es daher zwingend notwendig, dass die Wellenlänge – und damit die „Farbe“ – der Photonen in einem Spektralbereich liegt, bei dem die Absorption in Glasfasern und damit der Informationsverlust möglichst gering ist. Dies sind die sogenannten „Telekom-Wellenlängen“ im Infrarotbereich, die etwa im Bereich einer Wellenlänge von 1.300 Nanometer und 1.550 Nanometer liegen. Mit solchen „Telekom-Photonen“ rückt die Vision der Quantenphysiker eines „Quanten-Internets“, das eines Tages mehrere Quantenrechner miteinander vernetzen kann, einen Schritt weiter an die Realität heran.

Foto: Universität des Saarlandes, Andreas Lenhard

Experimenteller Aufbau zur Umwandlung der Wellenlänge von einzelnen Photonen

Wissenschaftler um Christoph Becher, Professor für Experimentalphysik an der Universität des Saarlandes, haben nun gemeinsam mit ihren Kollegen um Professor Peter Michler vom Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen der Universität Stuttgart einen wichtigen Beitrag dazu geleistet, diese Schwierigkeiten zu überwinden. In den Experimenten zu ihrer Arbeit gelang es ihnen, einzelne rote Photonen in Photonen bei einer „Telekom-Wellenlänge“ (1.313 nm) umzuwandeln. Die roten Photonen wurden in einem „künstlichen Atom“, einem sogenannten Halbleiter-Quantenpunkt, erzeugt und zusammen mit einem starken Laserstrahl durch einen speziellen Kristall aus Lithiumniobat geschickt. An dessen Ende treten die Photonen mit veränderter Wellenlänge aus.
Die erreichte Effizienz der Wellenlängenumsetzung lag bei über 30 Prozent, es wird also etwa jedes dritte Lichtquant umgewandelt. Die Forscher konnten erstmals vollständig experimentell nachweisen, dass wichtige, aber gleichzeitig auch sehr fragile Quanteneigenschaften des Lichts bei dieser Wellenlängenkonversion erhalten bleiben. Dies ist fundamental für Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung. In ihrem Experiment hätten sie gezeigt, was technisch möglich ist, erklärt Professor Becher. Sie könnten aber noch besser werden. Dazu müssten sie die Effizienz weiter steigern und eine Wellenlänge um 1.550 Nanometer wählen. Dies sei der Spektralbereich, bei dem Glasfasern die ultimativ niedrigsten Verluste aufweisen. Daran wollten sie in einem zukünftigen Projekt mit den Stuttgarter Kollegen arbeiten.

Weitere Informationen zum Thema:

Physical Review Letters, 04.10.2012
Visible-to-Telecom Quantum Frequency Conversion of Light from a Single Quantum Emitter / Sebastian Zaske, Andreas Lenhard, Christian A. Keßler, Jan Kettler, Christian Hepp, Carsten Arend, Roland Albrecht, Wolfgang-Michael Schulz, Michael Jetter, Peter Michler, and Christoph Becher