Wiener Physiker erzielen Quantenkryptographie-Rekord

In Quantennetzwerken wird Information mit Teilchen übertragen, die durch das quantenphysikalische Phänomen der Verschränkung verbunden sind. Je mehr Dimensionen diese Verbindung hat, desto mehr Daten lassen sich übertragen und umso robuster ist das Netzwerk. Forscher aus China und Österreich stellen nun im Fachblatt „Physical Review Letters“  ein Übertragungsprotokoll mit achtdimensional verschränkten Photonenpaaren vor, mit dem sie einen Quantenkryptographie-Rekord erzielten.

„Spukhafte Fernwirkung“

Mit dem Erfahrungshorizont des Alltags ist die Verschränkung kaum nachvollziehbar, Albert Einstein tat sie gar als „spukhafte Fernwirkung“ ab. Tatsächlich teilen sich zwei verschränkte Teilchen ihre physikalischen Eigenschaften und die Messung an einem legt unmittelbar den Zustand des anderen fest, auch wenn sie beliebig weit voneinander entfernt sind.

Damit lässt sich also an zwei unterschiedlichen Orten exakt dieselbe Information erzeugen. Zudem garantieren die Gesetze der Quantenphysik, dass niemand diese Information abhören kann. Deshalb eignet sich die Verschränkung, um im Rahmen der Quantenkryptographie abhörsichere Schlüssel zur Ver- und Entschlüsselung von Informationen zu generieren.

Häufig verwendet man dafür Photonen mit unterschiedlicher Schwingungsrichtung (Polarisation). Die zwei Zustände entsprechen also beispielsweise einer horizontalen oder vertikalen Schwingungsrichtung. „Man kann aber auch andere Eigenschaften der Photonen nutzen, die alle ihre Vor- und Nachteile bei der Erzeugung, Verteilung und beim Auslesen haben“, erklärte Marcus Huber vom Atominstitut der Technischen Universität (TU) Wien.

Mehrere Wege statt Polarisation

Im nun vorgestellten Experiment setzten die Physiker statt auf die Polarisation auf mehrere Wege, die die Photonen nehmen können. So konnten sie zeigen, „dass wir in acht Dimensionen verschränkte Photonenpaare vollständig beherrschen und gut zur Erzeugung und Übertragung eines quantenkryptographischen Schlüssels nutzen können. Das ist in hohen Dimensionen sicher das bestkontrollierte Experiment bisher“, so Huber.

Konkret erzeugen sie an acht verschiedenen Stellen in einem speziellen Kristall mit einem Laserstrahl Photonenpaare. Je nach Erzeugungsort, kann sich jedes der beiden Photonen auf acht verschiedenen Wegen weiterbewegen.

Die zwei Photonen eines Paares werden dann an unterschiedliche Orte gelenkt und dort analysiert. Weil sie verschränkt sind, erhält man an beiden Orten dasselbe Ergebnis. Wer an einem Ort misst, weiß somit das Ergebnis der Messung am anderen Ort.

„Großer Unterschied“

„Dass wir hier 8 mögliche Wege verwenden, und nicht wie sonst üblich 2 verschiedene Polarisationsrichtungen, macht einen großen Unterschied“, erklärte Huber. Einerseits lasse sich dadurch mehr Information generieren und andererseits lasse sich zeigen, dass der Prozess dadurch weniger anfällig gegenüber Störungen ist.

„Dass trotz Rauschen und mit Fehlerkorrektur am Schluss immer noch mehr als acht Kilobit pro Sekunde übergeblieben sind und über 2,5 Bit pro Photonenpaar übertragen werden, ist schon cool“, so Huber, demzufolge damit ein neuer Rekord bei der Erzeugung verschränkungsbasierter Quantenkryptographie-Schlüssel aufgestellt wurde.

Fehlerkorrektur

Teil des neuen Übertragungsprotokolls sind zudem ausgeklügelte Fehlerkorrektur-Mechanismen, um den Einfluss äußerer Störungen wieder auszugleichen.

Grundsätzlich ließe sich mit mehr Wegen auch mehr Information generieren und übertragen. Das Problem dabei ist allerdings, dass pro Pfad zwei Einzelphoton-Detektoren notwendig sind, wobei je nach Effizienz Kosten von bis zu mehreren 100.000 Euro das Stück anfallen. „Das wird also relativ schnell teuer. Hier braucht es noch neue Ideen für Lösungen“, sagte Huber.

Die Physiker arbeiten aber auch daran, für jeden Pfad noch eine Art „Bonus-Codierung“ zu machen und weitere Eigenschaften der Photonen wie die Polarisation, den Impuls oder die Farbe auszulesen. „Das ist langfristig unser Ziel: alles zu kombinieren und so die maximale Bandbreite aus einem einzelnen Photon herauszuholen.“