Einzelne Photonen elektrisch erzeugt

Diese an der Universität Würzburg hergestellte Struktur aus Halbleitermaterial mit integrierten Quantenpunkt-Nanostrukturen sendet einzelne Photonen aus. Quelle: Bild: Physikalisches Institut, Uni Würzburg (idw)

Mit Halbleiter-Nanostrukturen haben Physiker einzelne Photonen elektrisch erzeugt und über einen Quantenkanal übertragen. Sie werten den Einsatz dieser Einzelphotonenquellen als weiteren Fortschritt für eine breitere Anwendung in der abhörsicheren Datenkommunikation.

Für die Datenübertragung im Internet werden elektrische Computersignale in Lichtsignale umgewandelt und durch Glasfaserkabel zum Empfänger geleitet. Dort werden sie wieder in elektrische Signale umgewandelt. Diese Lichtsignale lassen sich an der Glasfaser anzapfen, so dass ein Unbefugter unbemerkt Daten abfangen kann. Das gelingt allerdings nicht unbemerkt, wenn einzelne Lichtteilchen, Photonen, für eine quantenkryptographische Verschlüsselung verwendet werden.

Bei dieser Art der Verschlüsselung ist in einer Folge aus Lichtteilchen jedes einzelne Photon individuell polarisiert – vertikal, horizontal oder diagonal. Die Art der Polarisierung lässt sich von einem Dritten im Allgemeinen nicht erfassen, ohne sie dadurch zu verändern. Sender und Empfänger würden es darum sofort merken, wenn ein Unbefugter ihren Datenverkehr „belauscht” und versucht, den ursprünglichen Zustand des Lichtteilchens nachzuahmen.

Laser als Einzelphotonenquellen haben Nachteile

Die derzeit verwendete quantenkryptographische Technik nutzt stark abgeschwächte Laser als Einzelphotonenquellen. Auch wenn dies schon erste Anwendungen gefunden hat, gibt es noch erhebliche Nachteile. „Bei abgeschwächtem Laserlicht werden einzelne Photonen zu völlig zufälligen Zeitpunkten freigesetzt, so dass manchmal auch mehrere Photonen zugleich losgeschickt werden“, erklärt Sven Höfling vom Physikalischen Institut der Universität Würzburg.

Das wiederum könnten Hacker nutzen, um unbemerkt Informationen aus dem Datenfluss zu ziehen. Deshalb müssen bei der Quantenkommunikation mit abgeschwächten Lasern komplexe Verfahren der Datenübertragung eingesetzt werden, um eine abhörsichere Kommunikation zu gewährleisten.

Eine ideale Einzelphotonenquelle dagegen setzt laut Höfling immer nur dann ein Photon frei, wenn sie angeregt wird, etwa durch einen elektrischen Impuls. Physikern der Universitäten Würzburg, München und Stuttgart ist nun der Einsatz einer solchen Einzelphotonenquelle in der Quantenkommunikation gelungen.

Publikation im New Journal of Physics

Ihre Ergebnisse präsentieren die Wissenschaftler im New Journal of Physics. Ausschlaggebend für den Erfolg war eine enge Kooperation der Arbeitsgruppen der Professoren Harald Weinfurter in München, Peter Michler in Stuttgart sowie Martin Kamp und Alfred Forchel in Würzburg.

Für ihre Einzelphotonenquellen haben die Forscher Nanostrukturen aus Halbleitermaterial in Mikroresonatoren integriert. Diese Quellen senden mit hoher Wahrscheinlichkeit bei jedem elektrischen Puls ein einzelnes Photon aus. Durch das Einprägen von Information in die Polarisation der Photonen lässt sich quantenkryptographisch ein Schlüssel erzeugen, wie die Forscher in ihren Laborexperimenten gezeigt haben.

Quantenkommunikation über längere Strecken

Natürlich ist den Wissenschaftlern klar, dass die Übertragung der Photonen nicht nur im Labor, sondern auch über weitaus längere Strecken gelingen muss. Erfolgreiche Arbeiten dazu haben sie in einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt bereits durchgeführt. Dabei konnten sie in der Innenstadt von München eine abhörsichere Quantenkommunikation mit elektrisch betriebenen Einzelphotonenquellen über eine rund 500 Meter lange Freistrahlteststrecke über Dächer hinweg realisieren.

Die Wissenschaftler aus Würzburg, München und Stuttgart wollen aber noch sehr viel längere Übertragungsstrecken erreichen. Dazu erforschen sie in einem vom BMBF geförderten Verbund gemeinsam mit weiteren Forschungsgruppen derzeit Bausteine für so genannte Quantenrepeater. Diese stellen Analoga zu Signalverstärkern in der klassischen Kommunikationstechnik dar und sind essentiell für eine Quantenkommunikation mit großer Reichweite.

“Quantum key distribution using quantum dot single-photon emitting diodes in the red and near infrared spectral range”, Tobias Heindel et al, New Journal of Physics, 2 August 2012, doi:10.1088/1367-2630/14/8/083001

Quelle: Julius-Maximilians-Universität Würzburg (idw)