Quantenlicht für den Alltag

Diese hochintegrierte Quelle für verschränkte Photonenpaare des Fraunhofer IOF ermöglicht Quantenkommunikation und eignet sich für den anspruchsvollen Einsatz auf Satelliten. · Foto: © Fraunhofer IOF

Diese „spukhafte Fernwirkung“ war Einstein zutiefst suspekt. Inzwischen wurde der Effekt jedoch bestätigt. Im Jahr 2022 gab es dafür den Physik-Nobelpreis. Die Verschränkung funktioniert über verschiedene Eigenschaften der Photonen, wie zum Beispiel den Ort, die Wellenlänge oder eben die Polarisation. Genau diese Möglichkeiten machen die Photonen interessant für diverse Quantenanwendungen in der Kommunikation, Kryptographie, Sensorik und perspektivisch auch für Quantencomputer.

Mit Tricks zum Quantenlicht

Aber man braucht gar nicht immer verschränkte Photonen, es geht auch einfacher. Der Chip im Samsung-Smartphone verwendet einen Trick, der völlig ohne die komplizierte Verschränkung auskommt. Sogenannte schwache kohärente Quellen nutzen einen kleinen Halbleiterlaser. Dessen Pulse werden so stark abgeschwächt, dass im Mittel weniger als ein Photon pro Puls enthalten ist. Dadurch wird die Pulssequenz zufällig – denn es ist nicht vorhersehbar, ob ein Photon im Puls enthalten ist. Dieses Prinzip taugt bereits zur Verschlüsselung digitaler Signale. Solche Quellen lassen sich mit Wiederholraten bis in den Gigahertz-Bereich betreiben. Sie sind klein, stromsparend und kompatibel mit der bestehenden Telekom-Infrastruktur. Das macht sie besonders interessant für Glasfasernetze und für Satelliten, bei denen Gewicht, Energiebedarf und Zuverlässigkeit entscheidend sind.

Doch gerade die Einfachheit dieses Chips bringt ein Problem mit sich. Ein stark abgeschwächter Laser sendet nicht ausschließlich Einzelphotonen aus, manche Pulse enthalten zwei oder mehr Photonen. In einem verlustbehafteten Kanal könnte ein Angreifer genau diese Mehrphotonenpulse ausnutzen.

Den Lauscher täuschen

Eben dieses Problem musste das Team am Fraunhofer IOF lösen. „Um einen Lauscher auszutricksen, verwenden wir sogenannte ‚Decoy States‘, das sind Täuschzustände“, beschreibt Burger die elegante Lösung. Dafür sendet die Quelle neben den eigentlichen Signalpulsen auch noch schwächere Täuschpulse aus und manchmal sogar Pulse ohne Photonen. Für einen potenziellen Lauscher sind die echten von den falschen Pulsen nicht unterscheidbar.

Durch einen geschickten Vergleich der Signalstatistiken können Sender und Empfänger dann feststellen, ob jemand die Übertragung manipuliert hat. Entscheidend ist: Mit dieser Methode kann man auch mit unvollkommenen Quellen eine hohe Sicherheit erreichen, da man ein Mithören detektieren kann. Dieser Trick ermöglicht also eine belastbare Quantenkommunikation.

Für die Praxis ist das ein wichtiger Schritt. Gerade in realen Netzen muss man mit Verlusten, Störungen und technischen Unvollkommenheiten leben. Die Decoy-Methode macht aus einer gut beherrschbaren Laserdiode einen Quantenkommunikationsbaustein, den man relativ einfach in moderne Systeme integrieren kann. So wird aus einem klassischen optischen Bauteil ein Werkzeug der Quanteninformation.

Eine solche Quelle für verschränkte Photonen dient zur Entwicklung eines Satellitenmoduls, wie es als Nutzlast an Bord der deutschen CubeSat-Mission geplant ist. · Foto: © Fraunhofer IOF

Noch wichtiger ist die Verschlüsselung großer Kommunikationsnetze. Dort müssen sich Quantentechnologien in bestehende Kommunikationsanlagen einfügen lassen. Das betrifft sowohl Netze der Telekommunikationsanbieter als auch spezielle Systeme wie bei Banken. Die Münchner Firma Adva Network Security erprobte schon 2018 gemeinsam mit Partnern die Quantenschlüsselverteilung in realen Netzen. Inzwischen wird an Prüfkriterien für eine Zertifizierung entsprechender Lösungen gearbeitet.

„Die spannende Frage ist für uns nicht mehr, ob die Quantenschlüsselverteilung physikalisch funktioniert, sondern wie wir diese Technik zuverlässig in bestehende Kommunikationsnetze integrieren können“, sagt Helmut Grießer, Director Advanced Technology von Adva Network Security. Dabei wird die Quantenschlüsselverteilung sowohl mit herkömmlichen als auch mit sogenannten Post-Quanten-Schlüsselaustauschverfahren kombiniert. Das soll bereits jetzt gegen sogenannte „Harvest now, decrypt later“-Angriffe schützen: Dabei speichern Angreifer heute verschlüsselte Daten in der Hoffnung, sie später mit leistungsfähigen Quantencomputern entziffern zu können.

Verschränkte Photonen im Doppelpack

Bei diesen Anwendungen sind verschränkte Photonen noch gar nicht nötig. Doch viele Quantenanwendungen benötigen genau diese exotischen Lichtzustände. Deren Erzeugung ist deutlich anspruchsvoller als die Verschlüsselung mit schwachen kohärenten Pulsen. Verschränkte Photonen werden häufig gemeinsam erzeugt, können sich aber in ihren Eigenschaften unterscheiden. Der Clou dabei: Misst man den Zustand des einen Photons, ist der Zustand des anderen unmittelbar mitbestimmt. Diese Verbindung ist nicht klassisch erklärbar, bildet aber den Kern vieler Quantenprotokolle. Genau genommen gibt es auch Verschränkungen mit mehr als zwei Photonen.

In der Praxis entstehen die Paare meist in speziellen, nichtlinearen Kristallen oder Wellenleitern. Das einfallende Photon wandelt sich in einem solchen Material in zwei energieärmere Photonen um, die miteinander verschränkt sind und gemeinsame Quanteneigenschaften aufweisen.

Man kann diese Photonen auf unterschiedliche Weise nutzen. So kann eine Quelle zwei Empfänger mit verschränkten Signalen versorgen – etwa zur Quantenschlüsselverteilung. Oder man nutzt ein Photon zur Messung und das zweite Photon für das sogenannte „Heralding“ oder „Ankündigen“: Dabei signalisiert ein Photon, dass sein Partner verfügbar ist. Für viele Experimente ist das ein enormer Vorteil, weil man auf diese Weise gezielter mit einzelnen Quanten arbeiten kann.

Vom Labor zur Raumfahrt

Für ein Smartphone muss eine Quantenquelle klein und günstig sein; für die Satelliten-Quantenkommunikation mit der Quelle auf dem Satelliten sind die Anforderungen härter: Die Lichtquellen müssen kompakt, vibrationsfest, temperaturstabil und möglichst wartungsfrei sein. Gleichzeitig sollen sie genug Photonen liefern, um die enormen Übertragungsverluste zwischen Orbit und Boden zu kompensieren.

Per Satellit lassen sich auch zwischen weit entfernten Orten quantenkryptographisch geschützte Verbindungen einrichten. Dazu sendet ein Satellit verschränkte Photonenpaare an die beiden Bodenstationen. Diese Paare werden an Bord erzeugt. Das Verfahren wurde bereits vor Jahren erfolgreich durch den chinesischen Satelliten Micius demonstriert. Die so erzeugten Quantenschlüssel lassen sich auch „auf Vorrat“ erzeugen, sodass man nicht unbedingt auf gutes Wetter angewiesen ist, um normale Daten zu verschlüsseln. · Foto: © Fraunhofer IOF

„Wir haben dafür eine Architektur entwickelt, bei der ein Strahlteiler den Pump-Laser in zwei polarisationsabhängige Wege aufspaltet“, beschreibt Burger den Ansatz, den sie mit ihrem Team verfolgt. Beide Pfade pumpen jeweils einen nichtlinearen Kristall, die entstehenden Photonenpaare werden räumlich wieder zusammengeführt und zeitlich kompensiert. Das Ergebnis ist eine robuste, kompakte Quelle für verschränkte Photonen. Mit solchen Kniffen wird aus einem komplizierten Forschungsaufbau ein technisches Modul. Entscheidend ist dabei die Miniaturisierung der empfindlichen Optik, die als Prototyp einen ganzen Labortisch einnimmt, zum integrierten Baustein. Erst dann lassen sich Satelliten, mobile Netzwerke und autonome Sensorplattformen mit solchen Komponenten bestücken.

Vielzahl von Quantenlichtquellen

Vor sechs Jahren war das Samsung-Smartphone eine technische Kuriosität. Heute gibt es solche Verschlüsselungsmodule für große Kommunikationsnetze. Auf Satelliten werden die ersten Quellen für verschränkte Photonen getestet. Der Wettlauf um die besten Technologien hat eigentlich gerade erst begonnen.

Es gibt mittlerweile eine Vielzahl von Quantenlichtquellen, die jeweils für einen bestimmten Zweck optimiert sind. Schwache kohärente Laserquellen bringen Quantenverschlüsselung in den Alltag. Verschränkte Photonenquellen wiederum ermöglichen sichere Quantenkommunikation und hochempfindliche Quantensensorik. Je nach Anwendung benötigen Photonenquellen unterschiedliche Eigenschaften. So muss eine Quelle für Quantenkryptographie vor allem schnell, kompakt und zuverlässig sein. Eine Quelle für Quantencomputer hingegen muss möglichst identische Photonen liefern. Einige Unternehmen arbeiten bereits an photonenbasierten Quantencomputern.

„Die Physik hinter Quantenlichtquellen verstehen wir inzwischen ziemlich gut“, schätzt die Forscherin Karin Burger den Stand ein. „Die eigentliche Herausforderung besteht heute darin, daraus robuste und bezahlbare Systeme für die verschiedenen Anwendungen zu entwickeln.“ ■

Andreas Thoss
ist promovierter Physiker und seit fast 20 Jahren als Wissenschaftsjournalist aktiv. Seine Leidenschaft gilt dabei allen Themen, die mit Licht und Lasern zu tun haben.