Ein internationales Forschungsteam von Universitäten aus Rostock, Southern California, Central Florida, Pennsylvania State und Saint Louis hat einen innovativen Ansatz entwickelt, um optische Verschränkung in der Quantenphotonik zu schützen. Diese bedeutende Entdeckung, die am 28. März 2025 in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, könnte weitreichende Folgen für die Quantenkommunikation und Quantencomputing haben. Der wesentliche Fortschritt wurde im Rahmen des Internationalen Jahres der Quantenwissenschaft und -technologie verkündet, das die Vereinten Nationen für 2025 ausgerufen haben, um das 100-jährige Jubiläum der Quantenmechanik zu feiern.
Die Quantenmechanik hat unser Verständnis der Natur auf kleinster Skala revolutioniert und ist die Grundlage moderner Technologien sowie Materialwissenschaften. Ein Schlüsselaspekt der Forschung ist die Verschränkung, die nicht nur zentrale Bedeutung für Quantencomputer hat und schnellere Berechnungen als klassische Computer ermöglicht, sondern auch für die sichere Übertragung kryptographischer Schlüssel entscheidend ist. Verschränkung ist jedoch ein empfindliches Phänomen, das durch Dekohärenz, wie thermisches Rauschen, gefährdet ist.
Innovativer Verschränkungsfilter
Das Forschungsteam hat die Herausforderung gemeistert, Verschränkung durch komplexe Lichtdynamik in photonischen Schaltkreisen zu bewahren. Dabei wurden die sogenannten „Drähte für Licht“ entwickelt, die es Photonen ermöglichen, zwischen benachbarten Kanälen zu „springen“. Durch die gezielte Abstimmung der Kopplung entsprechend der Anti-Paritäts-Zeit-Symmetrie konnten unverschränkte Anteile entfernt werden, was zu einem neu entwickelten Verschränkungsfilter führte. Dieser erreicht nahezu ideale Präzision bei Einzel- und Zwei-Photonen-Anregung und ist sowohl skalierbar auf höhere Photonen-Niveaus als auch robust gegenüber Dekohärenz.
Die Erkenntnisse dieser Forschung könnten die Entwicklung fortschrittlicher Quantentechnologien auf integrierten Plattformen erheblich vorantreiben. Unterstützt wurde die Forschung von der Deutschen Forschungsgemeinschaft und der Alfried Krupp von Bohlen und Halbach-Stiftung.
Quantenkommunikation und Sicherheit
Parallel zu diesen Entwicklungen arbeitet das Fraunhofer IOF an der Weiterentwicklung von Quantenkommunikationssystemen. Quantenkommunikation ermöglicht den abhörsicheren Austausch von Schlüsseln zur Kodierung sicherheitsrelevanter Informationen. Sie basiert auf physikalischen Prinzipien wie der Quantenverschränkung, im Gegensatz zu algorithmischen Kryptographieverfahren, und hat das Potenzial, die Informationsübertragung grundlegend zu transformieren.
Im Rahmen der QuNET-Initiative haben Partner aus Industrie und Forschung bereits bedeutende Fortschritte gemacht. Ziel dieser Initiative ist es, Hochsicherheitsnetze zu entwickeln. Ein Technologie-Demonstrator, der eine sichere Verbindung zwischen zwei Gebäuden über einen optischen Freistrahllink gewährleistet, wird derzeit getestet und an das Glasfasernetz angebunden. Zu den Bausteinen des Demonstrators gehören Präzisionsoptische Spiegelteleskope und ein Detektionssystem für Photonpaarkorrelationsmessungen.
Ausblick auf die Zukunft der Quantenkommunikation
Die Herausforderungen bei der Implementierung von Quantenkommunikation sind unter anderem die technische Durchführbarkeit, Skalierbarkeit und Kosten. Dennoch bietet die Quantenverschlüsselung ein hohes Sicherheitsniveau, das auch gegen die Bedrohungen durch Quantencomputer resistent ist. Die Forschung in diesem dynamischen Bereich verspricht kontinuierliche Fortschritte bei der Entwicklung globaler Quantenkommunikationsnetze.
Die Forschungsbeiträge beide Teams, sowohl der Universitäten als auch des Fraunhofer IOF, repräsentieren wesentliche Schritte auf dem Weg zu einer sichereren und effizienteren Quantenkommunikation. Der Austausch eines Schlüssels zwischen vernetzten Geräten könnte durch diese Technologien revolutioniert werden und die Art und Weise, wie Informationen gesichert werden, grundlegend ändern.
Die vollständige Veröffentlichung der wissenschaftlichen Erkenntnisse steht unter Science, und Informationen zur Quantenkommunikation finden sich auf Fraunhofer IOF.
