Abhörsichere Kommunikation zwischen Quantencomputern

QMiCS: Das Quanten-Internet kommt in Reichweite

| Redakteur: Jürgen Schreier

Am Walther-Meissner-Institut (WMI) entwickelter Quantenschaltkreis, mit dem verschränkte Mikrowellen-Zustände erzeugt werden können.
Am Walther-Meissner-Institut (WMI) entwickelter Quantenschaltkreis, mit dem verschränkte Mikrowellen-Zustände erzeugt werden können. (Bild: Bild: Andreas Battenberg / TUM)

Einem internationalen Team unter Führung von Physikern der Technischen Universität München (TUM) ist es erstmals gelungen, eine sichere Quantenkommunikation im Mikrowellenbereich in einem lokalen Quanten-Netzwerk experimentell zu realisieren. Die neue Architektur gilt den Forschern als entscheidender Schritt hin zu verteiltem Quantenrechnen.

Noch gibt es weltweit keinen universellen Quantencomputer. Doch einem internationalen Team um die TUM-Physiker Rudolf Gross, Frank Deppe und Kirill Fedorov ist es jetzt erstmals gelungen, in einem lokalen Netzwerk eine abhörsichere Quantenkommunikation zu realisieren – über ein supraleitendes Kabel auf einer Distanz von 35 Zentimetern.

„Wir haben damit die Grundlage für die Realisierung von Quantenkommunikationssystemen im sehr wichtigen Mikrowellenbereich gelegt“, sagt Rudolf Gross, Professor für Technische Physik an der TUM und Direktor des Walther-Meißner-Instituts (WMI), an dem die Versuche stattfanden. „Dies ist ein Meilenstein. Damit ist das Quanteninternet auf Basis von supraleitenden Schaltungen und Mikrowellenkommunikation nun in Reichweite.“

Abhörsicheres Protokoll durch Verschränkung

Die Forscher am WMI leisten seit mehr als einem Jahrzehnt Pionierarbeit auf dem Gebiet der Ausbreitung von Quanten-Mikrowellen. Dafür mussten sie zunächst nachweisen, dass Mikrowellenstrahlung überhaupt quantenmechanische Eigenschaften haben kann, was anders als bei sichtbarem Licht, aufgrund der geringen Energie der Mikrowellenphotonen technisch extrem herausfordernd war.

Die Macher des Quanten-LAN (v.l.): Dr. Achim Marx, Prof. Dr. Rudolf Gross, Dr. Frank Deppe und Dr. Kirill Fedorov (vlnr) haben am Walther-Meißner-Institut (WMI) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften erstmalig ein LAN für Quantenkommunikation realisiert.
Die Macher des Quanten-LAN (v.l.): Dr. Achim Marx, Prof. Dr. Rudolf Gross, Dr. Frank Deppe und Dr. Kirill Fedorov (vlnr) haben am Walther-Meißner-Institut (WMI) der Bayerischen Akademie der Wissenschaften erstmalig ein LAN für Quantenkommunikation realisiert. (Bild: Robert Brembeck / WM)

Um störende Einflüsse zu eliminieren, fanden die Experimente bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt statt. In besonderen Kühlvorrichtungen gelang es den Physikern schließlich, im Mikrowellenbereich etwa das Prinzip der Verschränkung zu belegen, das eine wichtige Grundlage für sichere Quantenkommunikation ist.

Die aktuelle Arbeit bringt die Physiker nun der Anwendung einen Schritt näher: „Quantum Remote State Preparation“ nennen die Forscher das Kommunikationsprotokoll. Dabei wird ein Quantenzustand an einem entfernt liegenden Ort hergestellt, ohne ihn direkt zu senden.

Anschaulich kann man sich das Konzept wie folgt vorstellen: Zwei Personen (Anna und Bert) befinden sich an zwei verschiedenen Orten. Während in der klassischen Informatik das BIT die kleinste Informationseinheit ist, ist dies in der Quantenkommunikation ein Quantenzustand.

Möchte Anna Bert eine Information zukommen lassen, bekommen beide einen Teil eines verschränkten quantenmechanischen Zustands mitgeteilt. Anna führt dann zunächst eine Messung an ihrem Teil des Zustands aus und übermittelt das Ergebnis klassisch an Bert. Der vollzieht eine vom Ergebnis abhängige Operation an seinem Teil des verschränkten Zustands und erhält so den Quantenzustand, den Anna ihm mitteilen will.

Quantenschlüsselaustausch zwischen Rechenzentren über Satelliten und Glasfaser

Abhör- und manipulationssicher

Quantenschlüsselaustausch zwischen Rechenzentren über Satelliten und Glasfaser

21.11.18 - Quantenbasierte Kryptografie hält das Versprechen garantierter Abhörsicherheit. Das Quantum-Internet der Zukunft lässt grüßen. lesen

Dritte können mit dem zwischendurch übermittelten klassischen Messergebnis allein nichts anfangen, denn sie bräuchten dazu den verschränkten Zustand. Eine Kommunikation mit diesem Protokoll ist folglich absolut abhörsicher.

Security: Erster Standard für Post-Quantum-Signaturen

TU Darmstadt/Genua

Security: Erster Standard für Post-Quantum-Signaturen

17.07.18 - Quantencomputer sind schnell und haben Rechen-Power ohne Ende. Geht es um die Kalkulation von Klimamodellen oder KI-Anwendungen, ist das eine tolle Sache. Nicht ganz so toll: Die Superrechner können auch zum Knacken der heute weit verbreiteten Public-Key-Krypto-Verfahren genutzt werden. Dem gilt es vorzubeugen. lesen

Informationsübertragung mit gequetschten Wellen

Als Quantenzustand nutzen die Forscher einen so genannten gequetschten Mikrowellenzustand. Dabei handelt es sich um eine besondere Ausprägung einer elektromagnetischen Welle, die nur mit Hilfe der Quantenmechanik erklärt werden kann.

Der am Walther-Meissner-Institut (WMI) entwickelter Quantenschaltkreis, mit dem verschränkte Mikrowellen-Zustände erzeugt werden können.
Der am Walther-Meissner-Institut (WMI) entwickelter Quantenschaltkreis, mit dem verschränkte Mikrowellen-Zustände erzeugt werden können. (Bild: Andreas Battenberg / TUM)

Vakuumfluktuationen einer Welle werden dabei in einer bestimmten Richtung unterdrückt und in der dazu senkrechten verstärkt. Aus zwei solchermaßen gequetschten Zuständen lässt sich ein verschränkter Mikrowellenzustand erzeugen. Die Technik dazu haben die Physiker ebenso wie andere wichtige Details, beispielsweise supraleitende Quantenschaltkreise, eigens am Walter-Meißner-Institut in Garching entwickelt.

Das neue Konzept könnte eine revolutionäre Entwicklung auslösen, ist Frank Deppe, am WMI-Koordinator des Europäischen Flaggschiff-Projekts Quantum Microwave Communication and Sensing (QMiCS), überzeugt: „Die experimentelle Realisierung einer sicheren Quantenkommunikation im Mikrowellenbereich ist ein wichtiger Schritt hin zum verteilten Quantenrechnen.“

Die TUM-Physiker halten auch deutlich größere Abstände zwischen Quantenrechnern für möglich. Eine Herausforderung stellt hier die Entwicklung und Vermessung mehrerer Meter langer, gekühlter Quantenkabel dar. „Wir arbeiten im Rahmen von QMiCS bereits an einer Erweiterung auf sieben Meter Entfernung“, sagt Gross. „Damit rückt die Vernetzung von supraleitenden Quantenrechnern in Reichweite.“

Was meinen Sie zu diesem Thema?

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 46251652 / Hardware)