Sichere Kommunikation mit Licht fast überall

Ioannis Karapatzakis, David Hunger

Quantennetzwerke zur Verteilung verschränkter Zustände könnten künftig sichere Kommunikation, vernetzte Quantensensoren und die Verknüpfung von Quantencomputern ermöglichen. Dafür werden langlebige Quantenspeicher benötigt, die effizient mit Licht adressiert werden können. Unser Team konnte nun erstmals mit einem supraleitenden Mikrowellenleiter volle Quantenkontrolle und lange Quantenspeicherzeiten für ein einzelnes Zinn‐Fehlstellenzentrum in Diamant demonstrieren.

Peter Byrne

Jasper Rödiger

Die Quantenschlüsselverteilung (QKD), die erste anwendbare Quantentechnologie, verspricht informationstheoretisch sichere Kommunikation. In der vorliegenden Arbeit wurde das Zeit-Frequenz (TF)-QKD-Protokoll untersucht, das Zeit und Frequenz, nämlich Puls-Positionsmodulation (PPM) im Zeitbereich und Frequenzumtastung (FSK) im Frequenzbereich als die beiden komplementären Basen verwendet. Seine Sicherheit beruht den Quanteneigenschaften von Licht und auf der Zeit-Frequenz-Unschärferelation. TF-QKD kann mit größtenteils Standard-Telekommunikationstechnologie im 1550-nm-Band implementiert werden. Die PPM-Basis kann mit Modulatoren und die FSK-Basis mit Hilfe der Wellenlängenmultiplex-Technologie realisiert werden. Das TF-QKD-Protokoll ist in der Lage, ein beliebig großes Alphabet bereitzustellen, was mehr als 1 bit/Photon ermöglicht. Darüber hinaus ist es robust gegenüber athmosphärischen Störungen und somit für die Übertragung über den Freiraumkanal geeignet. In der vorliegenden Arbeit wird das TF-QKD-Protokoll theoretisch bewertet, mit Standardkomponenten für 1 bit/Photon implementiert und die Freiraumübertragung mit optischem Tracking über eine 388 m Teststrecke wird bei Tageslicht demonstriert. Unter Verwendung der vorhandenen Komponenten konnte eine sichere Schlüsselrate von 364 kbit/s back-to-back und 9 kbit/s über den Freiraumkanal demonstriert werden.

Christoph Becher, Dieter Meschede, Peter Michler +1 more

Abstract Die Quantenschlüsselverteilung bietet eine physikalische Methode, die eine fundamental abhörsichere Kommunikation mit Photonen als Quantenbits (Qubits) ermöglicht. Allerdings beschränken Verluste in Glasfasern die Punkt‐zu‐Punkt‐Verbindungen auf circa 100 km Entfernung. Der Quantenrepeater überwindet diese Schranke, indem er zwei oder mehr Strecken durch Quantenoperationen verknüpft. Die einzelnen Komponenten, mit denen ein Quantenrepeater gebaut werden kann, sind derzeit ein aktives Forschungsfeld. Quantenoptik und Halbleiterphysik tragen dazu bei, diese Komponenten zu realisieren. Sie umfassen effiziente Photonenquellen, Photonentransformatoren und Quantenspeicher.