Verschränkte Photonen für die Quantenkommunikation
Angesichts zunehmender Digitalisierung und Vernetzung in nahezu allen Bereichen unserer Gesellschaft gewinnt das Thema sichere Datenübertragung weiter an Bedeutung. Die heute eingesetzte Kryptografie beruht auf Algorithmen, die Daten ver- und entschlüsseln können. Ohne den passenden Schlüssel ist die Entschlüsselung sehr komplex, jedoch könnten abgehörte Daten in Zukunft mit leistungsfähigeren Rechnern entschlüsselt werden.
Durch den Einsatz von Quantenzuständen als Träger der Information hingegen wird - physikalisch nachweisbar - sichere Kommunikation möglich. Die Gesetze der Quantenmechanik garantierten, dass die Kommunikation nicht unbemerkt abgehört oder gespeichert werden kann: Jeder Abhörversuch würde entdeckt werden. Da die Abhörsicherheit auf fundamentalen Naturgesetzen beruht, kann sie selbst durch zukünftige Technologien nicht überwunden werden. Die Verteilung von Quantenschlüsseln über Glasfaserverbindungen ist jedoch bisher aufgrund von Leitungsverlusten auf etwa 100 km beschränkt. Eine Möglichkeit zur Überwindung dieser Beschränkung ist der Einsatz von Quantenrepeatern, welche die Quanten-Datenpakete weiterreichen können, ohne die quantenmechanische Abhörsicherheit zu beeinträchtigen. Ein Ansatz zur Realisierung von Quantenrepeatern basiert auf dem Einsatz von Photonenpaarquellen, welche als Träger der Informationen quantenmechanisch verschränkte Photonen versenden. Mittels Quantenrepeatern kann die Verschränkung über lange Reichweiten aufrechterhalten und ein Quantennetzwerk etabliert werden, in dem abhörsicher Informationen ausgetauscht werden.
Das Verbundprojekt HYPER-U-P-S „Hyper-verschränkte Photonen aus einer ultra-hellen Quantenlichtquelle“ verfolgt das Ziel, eine halbleiterbasierte Photonenpaarquelle zu entwickeln, die hocheffizient und „auf Knopfdruck“ hochgradig verschränkte, ununterscheidbare Photonenpaare erzeugt. Das angestrebte Bauelement basiert auf einem Halbleiter-Quantenpunkt, welcher in eine spezielle Nanostruktur integriert ist. Hierbei liegt die Aufgabe des deutschen Partners, der Universität Würzburg, vor allem in der Herstellung des Halbleiter-Bauelements, wohingegen die europäischen Partner für dessen Modellierung, Feinabstimmung, Charakterisierung und Integration in ein Test-Netzwerk verantwortlich sind. Im Projekt kooperieren führende Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus fünf europäischen Ländern.
Das geplante quantenoptische Bauteil soll den heutigen Stand der Technik in der Erzeugungsrate verschränkter Photonen um den Faktor 1000 übertreffen. Damit hat es das Potenzial, zu einem Grundbaustein von Quantenrepeater-Netzwerken zu werden und die Entwicklung im zukunftsträchtigen Feld der Quantenkryptografie entscheidend voranzutreiben. Durch Patentierung und die kommerzielle Umsetzung durch Ausgründungen oder Industriepartner wird die wirtschaftliche Verwertung in Europa gesichert. So könnte künftig ein abhörsicheres europäisches „Quanten-Internet“ für alle Bürgerinnen und Bürger entstehen.