Physiker entwickeln Methode zur Erzeugung quantenverschränkter Photonen Neue Photonenquelle für eine abhörsichere Kommunikation

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Ein internationales Team unter Beteiligung von Professor Michael Kues vom Exzellenz-Cluster „PhoenixD“ der Leibniz Universität Hannover hat eine neue Methode zur Erzeugung quantenverschränkter Photonen in einem zuvor nicht zugänglichen Spektralbereich des Lichts entwickelt. Die Entdeckung kann künftig die Verschlüsselung von satellitengestützter Kommunikation viel sicherer machen.

Ein 15-köpfiges Forscherteam aus Großbritannien, Deutschland und Japan hat eine neue Methode zur Erzeugung und zum Nachweis quantenverstärkter Photonen bei einer Wellenlänge von 2,1 Mikrometern entwickelt. In der Praxis kommen verschränkte Photonen bei Verschlüsselungsverfahren wie dem Quantenschlüsselaustausch zur Anwendung, um die Telekommunikation zwischen zwei Partnern gegen Abhörversuche vollkommen zu sichern.

Bislang war es technisch nur möglich, solche Verschlüsselungsmechanismen mit verschränkten Photonen im Nahinfrarot-Bereich von 700 bis 1.550 Nanometern umzusetzen. Diese kürzeren Wellenlängen bringen jedoch Nachteile gerade in der satellitengestützten Kommunikation: Sie werden durch Licht absorbierende Gase in der Atmosphäre sowie die Hintergrundstrahlung der Sonne gestört. Eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung der übertragenen Daten kann mit der bisherigen Technologie somit überwiegend nur nachts, aber nicht an sonnigen und wolkigen Tagen gewährleistet werden.

Dieses Problem will das internationale Team, geleitet von Dr. Matteo Clerici von der Universität Glasgow, mit seiner Neuentdeckung künftig lösen. Denn die bei zwei Mikrometern verschränkten Photonenpaare würden deutlich weniger durch Sonnenstrahlung beeinflusst werden, sagt Professor Kues vom Exzellenzcluster PhoenixD der Leibniz Universität Hannover. Zudem existieren in der Erdatmosphäre gerade für Wellenlängen von zwei Mikrometern so genannte Transmissionsfenster, so dass die Photonen von den atmosphärischen Gasen nicht so stark absorbiert werden und eine effektivere Kommunikation stattfinden kann.

Für ihr Experiment nutzten die Forschenden einen nichtlinearen Kristall aus Lithiumniobat. Sie sandten ultrakurze Lichtpulse eines Lasers durch den Kristall und erzeugten so die verschränkten Photonenpaare mit der neuen Wellenlänge von 2,1 Mikrometern.

Die im Fachjournal „Science Advances“ veröffentlichten Forschungsergebnisse beschreiben die Details des experimentellen Systems und die Verifikation der verschränkten Photonenpaare. „Der nächste entscheidende Schritt wird es sein, dieses Verfahren zu miniaturisieren, indem es in photonische integrierte Systeme umgesetzt wird, um es massenproduktionstauglich zu machen und es künftig in anderen Anwendungszenarien einzusetzen“, sagt Kues.

Erstveröffentlichung: Die Forschungsergebnisse werden erstmals in der aktuellen Ausgabe 6 von „Science Advances“ von S. Prabhakar, T. Shields, A. C. Dada, M. Ebrahim, G. G. Taylor, D. Morozov, K. Erotokritou, S. Miki, M. Yabuno, H. Terai, C. Gawith, M. Kues, L. Caspani und R. H. Hadfield, M. Clerici der Öffentlichkeit vorgestellt: „Two-photon quantum interference and entanglement at 2.1 micrometer“

* Mechtild Freiin von Münchhausen arbeitet im Referat für Kommunikation und Marketing der Leibniz Universität Hannover.

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