Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik

Quantenverschlüsselung beginnt im Weltraum

| Autor: Dr. Stefan Riedl

Die European Space Agency (ESA) testete die Quantenquelle des Fraunhofer-Instituts bereits auf Raketenstart- und Weltraumtauglichkeit.
Die European Space Agency (ESA) testete die Quantenquelle des Fraunhofer-Instituts bereits auf Raketenstart- und Weltraumtauglichkeit. (Bild: JohanSwanepoel - stock.adobe.com)

Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik arbeitet an einer, auf physikalischer (nicht mathematischer) Ebene unknackbaren Kommunikationsverschlüsselung auf Basis verschränkter Photonen. Schon in ein paar Jahren könnte die Technik marktreif sein.

Physik-Nobelpreisträger Niels Bohr sagte „Wer über die Quantentheorie nicht entsetzt ist, der hat sie nicht verstanden.“ Das Prinzip der Teilchenverschränkung, welches bei der Quantenverschlüsselung genutzt wird, legt nahe, welche Abgründe sich aus der Perspektive der Alltagsrealität dabei auftun. Sind zwei oder mehr Teilchen miteinander verschränkt, lässt sich ihr Zustand nicht mehr korrekt als Kombination der Zustände einzelner Teilchen beschreiben, sondern nur durch einen gemeinsamen Zustand – unabhängig davon, wie weit diese Teilchen voneinander entfernt sind.

Dass die Entfernung keine Rolle spielt, führt zum Prinzip der Nicht-Lokalität, das einen Verstoß gegen klassische physikalische Grundsätze beinhaltet. Die Physiker Albert Einstein, Boris Podolsky und Nathan Rosen legten im so genannten EPR-Gedankenexperiment dar, das dies paradox sei.

Nachdem die technischen Möglichkeiten für eine experimentelle Umsetzung gegeben waren, bestätigte sich aber die paradoxe instantane Informationsübertragung, die sich nicht an Einsteins „Geschwindigkeitsbegrenzung“ hält, nach der nichts schneller als Lichtgeschwindigkeit übertragen werden kann. Einstein sprach abfällig von „spooky action at a distance“, was mit „spukhafter Fernwirkung“ übersetzt wird.

Wellen und Teilchen

Unter der Prämisse, dass das, was da passiert, nicht wirklich zu gängigen anderen physikalischen Modellen passt und die Physik um neue, beziehungsweise erweiterte Modelle ringt, lässt sich die inzwischen experimentell bestätigte „spukhafte Fernwirkung“ folgendermaßen salopp beschreiben: Werden zwei Teilchen verschränkt, stehen nach der gängigen Kopenhagener Deutung bestimmte Eigenschaften der verschränkten Teilchen zunächst noch nicht fest.

Der den verschränkten Teilchen zunächst innewohnende Wellencharakter beinhaltet Teilcheneigenschaften nur zu bestimmten Wahrscheinlichkeiten. Erst wenn Teilcheneigenschaften gemessen werden, gehen Welleneigenschaften verloren und Teilcheneigenschaften werden real.

Ergänzendes zum Thema
 
Science Fiction aus dem Fraunhofer-Institut auf dem Weg in die Praxis

Auch wenn dieser physiktheoretische Konfliktstoff viele zentrale Fragen über die Beschaffenheit der Realität offen lässt und seit Jahrzehnten Theorien dazu miteinander im Diskurs hinsichtlich ihrer experimentellen Falsifizierbarkeit und Plausibilität miteinander ringen, findet eine praktische Anwendung der Phänomene längst statt. Die Verschränktheit von zunächst verborgenen Teilcheneigenschaften soll beispielsweise die Verschlüsselungstechnologie perfektionieren und auf ein unknackbares Level heben.

Die Quantenquelle

Diese Quantenquelle erzeugt verschränkte Lichtquanten und sendet sie von einem Satelliten auf die Erde.
Diese Quantenquelle erzeugt verschränkte Lichtquanten und sendet sie von einem Satelliten auf die Erde. (Bild: Fraunhofer IOF)

Im Mittelpunkt besagter Bestrebungen steht ein etwa Tablet-großes, goldenes Gerät, das pragmatisch „Quantenquelle“ genannt wird. Es kommt aus dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena und wurde nun von der European Space Agency (ESA) daraufhin getestet, ob es mit krassen Temperaturschwankungen, Vakuum und Rucklern zurecht kommt. Das Ergebnis fiel positiv aus, so dass die Forscher nun an den nächsten Schritt denken können, denn die goldene Quantenquelle muss in rund 400 Kilometer Höhe gebracht werden.

Erklärtes Ziel des Forscherteams ist es nun, in etwa vier Jahren den ersten europäischen Quantensatelliten ins Weltall zu schicken. Dort soll die Quantenquelle mit einem so genannten „nichtlinearen Kristall“, auf den ein Laserstrahl trifft, 300.000 verschränkte Photonenpaare pro Sekunde erzeugen und zur Erde schicken. Mit diesen Zwillings-Lichtteilchen lässt sich dann sensible Kommunikation sicher verschlüsseln.

Das Prinzip dahinter: Die zwei Photonen besitzen eine miteinander verschränkte Polarisation, unabhängig davon, wie weit sie voneinander entfernt sind. Darauf basierend lassen sich Schlüssel zwischen zwei Kommunikationspartnern etablieren, die beiden sofort verraten, wenn jemand versucht, ihre Kommunikation abzuhören. Denn greift jemand Unbefugtes ein, zerfällt die Verschränkung und der Zugriff ist nachweisbar.

Glasfaser-Lösung bleibt Theorie

Die verschränkten Photonen könnten theoretisch auch durch Glasfaserkabel, etwa einer Telefonleitung, an ihre Bestimmungsorte gelangen, lässt das Fraunhofer-Institut wissen. Allerdings würde das zum Einen die Reichweite sehr beschränken und zum Anderen die Verschränkungseigenschaften zu oft stören. Die bessere Lösung sei es daher, die Quantenquelle mit einem Satelliten in den niedrigen Erdorbit zu schicken, wo sie von 400 Kilometern Höhe die doppelten Lichtteilchen möglichst störungsfrei zur Erde senden kann.

Dr. Oliver de Vries, Projektverantwortlicher beim Fraunhofer IOF, erläutert: „Die größten Herausforderungen waren die Stabilität sowie die Leistungsfähigkeit der Quantenquelle.“ Durch die Passage durch die Erdatmosphäre sei die Verlustrate hoch. Für einen Schlüssel werden aber immer mehrere Photonenpaare benötigt.

„Darum gilt es, so viele verschränkte Zwillingsphotonen wie möglich zu erzeugen, damit maximal viele davon auch bei den Kommunikationspartnern auf der Erde ankommen.“ Durch einen ausgeklügelten Aufbau, wirksame anorganische Verbindungsverfahren und robuste Materialien, die sich bei Temperaturänderungen möglichst wenig ausdehnen, konnte die Stabilität der Quantenquelle optimiert werden, verrät de Vries rückblickend.

Marktreife voraus

Die Technologie stößt nach Angaben des Fraunhofer-Instituts bereits jetzt auf großes Interesse vor allem bei Banken und Regierungsorganisationen. Bis die Quantenverschlüsselung jedoch in drei bis fünf Jahren ihren Weg in die Anwendung findet, muss noch die nötige Infrastruktur zum Austausch der Schlüssel geschaffen werden. So müssten die Kommunikationspartner die Lichtteilchen zum Beispiel mit einem Teleskop empfangen, das wiederum in die IT-Struktur eingebunden werden muss. Auch dafür hat de Vries schon Pläne im Kopf (siehe: Kasten „Science Fiction aus dem Fraunhofer-­Institut auf dem Weg in die Praxis“).

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......das ist der Beginn eines neuen Zeitalters !!!!  lesen
posted am 25.10.2018 um 10:42 von Unregistriert


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