Kostengünstig und praxistauglich Abhörsichere Quantenkommunikation mit Einzelphotonenquellen

Für eine künftig sichere Telekommunikations-Infrastruktur müssen die Module für eine abhörsichere Quantenkommunikation kleiner und robuster werden. In zwei Projekten arbeiten Wissenschaftler an halbleiterbasierten Einzelphotonenquellen.

Für die langfristige Sicherheit digitaler Infrastrukturen sind neue Verschlüsselungsverfahren unerlässlich. Heutige Verschlüsselungsverfahren basieren auf der endlichen Rechenleistung heutiger Computer und sind daher durch technologische Weiterentwicklungen potenziell entschlüsselbar.

Die Quantenkommunikation bietet dagegen einen alternativen Ansatz. Dabei werden Codes zur Verschlüsselung von Daten mit Hilfe einzelner Lichtteilchen, so genannter Photonen, übertragen. Die Sicherheit wird dabei durch die Gesetze der Physik gewährleistet. Für den praktischen Einsatz solcher Systeme müssen die benötigten Einzelphotonenquellen allerdings noch weiter verbessert und von großen, komplexen Laboraufbauten zu einfach handhabbaren, miniaturisierten Modulen weiterentwickelt werden.

Rechenpower durch Quantenmechanik

Quanteninspirierte Algorithmen für Industrie und Manufacturing

Photonen werden zu verschränkten Photonen umgewandelt

Dazu fördert das BMBF seit März 2023 zwei komplementäre Forschungsverbünde unter Leitung von TU-Professoren mit einem Gesamtvolumen von rund 7,6 Mio. Euro über eine Projektlaufzeit von drei Jahren. Im Projekt „Mikrointegrierte Hochleistungsquellen für die Quantenkommunikation (MIHQU)“ unter der Leitung von Prof. Dr. Janik Wolters vom Fachgebiet Physikalische Grundlagen der IT-Sicherheit und unter Beteiligung von Prof. Dr. Eckardt Uhlmann, Leiter des Fachgebiets Werkzeugmaschinen und Fertigungstechnik an der TU Berlin, nutzen die Forscher ein Phänomen, bei dem Photonen aus einem Laser in einem speziellen Kristall in ein Paar verschränkter Photonen umgewandelt werden. Solche Photonen sind unabhängig von ihrer Entfernung immer quantenphysikalisch miteinander verknüpft und bilden damit eine wichtige Grundlage für die Quantenkommunikation.

Im zweiten Projekt mit dem Titel „Multicore Fiber Single Photon Emitter Module“ (MultiCoreSPS) unter der Leitung von Prof. Dr. Stephan Reitzenstein aus der Arbeitsgruppe „Optoelektronik und Quantenbauelemente“ werden neuartige Quantenchips mit halbleiterbasierten Einzelphotonenquellen für die Quantenschlüsselübertragung in Kombination mit hocheffizienten Mikrolasern für die eigentliche Informationsübertragung erforscht.

Beide Projekte haben das gemeinsame Ziel, Einzelphotonenquellen für den praktischen Einsatz, zum Beispiel als Modul für die direkte Glasfaserkopplung in Serverschränken und in Quantennetzwerken, zu miniaturisieren und ausreichend robust zu machen. Gleichzeitig soll die Erzeugungsrate der Photonen und damit die mögliche Datenrate für die Übertragung geheimer Schlüssel deutlich erhöht werden.

Basics

Was sind photonische Siliziumchips?

Module sind reproduzierbar und kostengünstig

Die im Rahmen der Projekte zu entwickelnden Module sollen reproduzierbar und kostengünstig industriell herstellbar sein, von den Nutzern einfach angeschlossen und perspektivisch großflächig in der bestehenden Telekommunikationsinfrastruktur eingesetzt werden können. Damit würden die Gesamtkosten der Quantenkommunikation sinken - ein notwendiger Schritt für den erfolgreichen Transfer in kommerzielle Anwendungen.

(ID:49422631)