Photonische Kommunikation

D87-029

Viele halten Quantencomputer für das Tor zu einer neuen Welt schnell denkender, intelligenter Computer. Während klassische Computer Informationen als Bits verarbeiten, verwenden Quantencomputer Quantenbits, auch Qubits genannt. Im Vergleich dazu kann das klassische Bit durch eine Münze dargestellt werden, die nur Kopf oder Zahl zeigen kann. Qubits sind eher wie die Münze, die rotiert, während sie geworfen wird. Neben den gleichen Wahrscheinlichkeiten, auf beiden Seiten zu landen, besitzt ein Qubit noch andere Eigenschaften wie die Spin-Geschwindigkeit, die Spin-Richtung, den Winkel der Spin-Achse und so weiter. Alle diese Eigenschaften können zur Datenspeicherung genutzt werden – allerdings nur so lange, wie sich die Münze dreht. So-bald sie auf dem Boden landet, endet sie wieder mit einer Seite nach oben und das aufregende Qubit verwandelt sich in ein herkömmliches Bit.¹

Sichere Datenübermittlung
Während IBM, Google und ihre jeweiligen Forschungsnetzwerke an der Erweiterung des Quantencomputers arbeiten, werfen andere ihr Augenmerk auf einen weiteren Aspekt der Quantenzukunft – nämlich wie sich diese auf die Cybersicherheit und die Datenverschlüsselung auswirken kann.

Quantencomputer stellen eine potenzielle Bedrohung dar, da sie in der Lage sind, bestehende Verschlüsselungsverfahren schnell zu entschlüsseln. Eine leicht verfügbare Lösung ist die Quantum Key Distribution (QKD).
Die ersten theoretischen Grundlagen der Quantenverschlüsselung wurden bereits in den 1980er Jahren etabliert. Meistens werden einzelne Photonen zufällig in verschiedene Polarisationszustände gebracht, die von einer Informationsquelle (Alice) an einen Empfänger (Bob) übertragen werden, wo sie wieder in digitale Informationen umgewandelt werden.²

Eine der sichersten Formen, eine vertrauenswürdige Verbindung zwischen Alice und Bob herzustellen, ist die Verwendung von Verschränkung. Grob gesagt gibt es ein magisches Band zwischen einem als Zwillinge geschaffenen Photonenpaar, das bewirkt, dass sich jedes von ihnen genau wie das andere verhält – auch wenn sie kilometerweit auseinander sind. Selbst Wissenschaftler nennen dies die „geisterhafte Aktion auf Distanz“. Wenn ein verschränktes Photon an Bob übertragen wird, während das andere zu Alice zurückkehrt, können sowohl Daten als auch Codeinformationen gleichzeitig übertragen werden.

Herausforderungen der Fernkommunikation
Mit Hilfe moderner Fasertechnologie kann QKD zwar heutzutage eingesetzt werden, allerdings nur auf kurzen Strecken. Aufgrund der optischen Dämpfung von Fasern lassen sich die Signale nur einige hundert Kilometer weit übertragen. Bei herkömmlichen Übertragungswegen über Lichtwellenleiter werden sogenannte Repeater eingesetzt, um die Reichweite zu erhöhen. Auf Quantenebene aber werden diese Technologien wahrscheinlich selbst in den nächsten Jahrzehnten nicht verfügbar sein.

Anders als bei der Funkübertragung basiert die Freiluftübertragung optischer Daten auf der so genannten „Sichtlinie“, d.h. der ununterbrochenen Strecke zwischen Sender und Empfänger. Deshalb suchen Wissenschaftler nach Übertragungsalternativen, die über die Grenzen unseres Planeten hinausgehen. Die Dämpfung der Atmosphäre ist weitaus geringer als die einer Glasfaser, sodass bei entsprechend empfindlichen Einzelphotonendetektoren eine effektive Kommunikation über deutlich größere Entfernungen möglich ist.

Ein verschränkter Quantencode, der von einem Satelliten im Erdorbit erzeugt wird, könnte sowohl an Alice als auch an Bob übertragen werden, solange sich beide in Reichweite des Satelliten befinden.
Im Jahr 2017 wurde der Micius-Satellit der Chinesischen Akademie der Wissenschaften erfolgreich eingesetzt, um einen traditionellen Quantencode von China nach Wien, Österreich, zu übertragen. An der National University of Singapore arbeiten Wissenschaftler derzeit an einem auf verschränkten Quanten basierenden Verschlüsselungsgerät, das in einen kleinen sogenannten Nanosatellitenwürfel von 11,35 cm × 10 cm × 10 cm passt.

Der treffend SpooQySat genannte Satellit, der seit dem 17. Juni 2019 in Betrieb ist, dient derzeit als Live-Demonstration einer verschränkten Photonenquelle im All.
Auf der Erde müssen die Detektoren auf Bobs Seite in der Lage sein, ein einzelnes kodiertes Photon aus allem umgebenden Hintergrundrauschen herauszufiltern. Normalerweise verwenden Wissenschaftler Einzelphotonen-APDs (SPADs), die eintreffende Photonen detektieren und in elektrische Signale wandeln. Die Qualität der SPADs wird durch ihre Quanteneffizienz und ihre Fähigkeit zur Unterdrückung des Hintergrundrauschens bestimmt.

¹www.sciencealert.com/quantum-computers
²en.wikipedia.org/wiki/Quantum_key_distribution

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Einzelphotonenzähler unterstützen die Grundlagenforschung

Jedes Photon zählt

In der Quanteninformationsverarbeitung werden viele Experimente im Wellenlängenbereich um 810 nm durchgeführt, wo Silizium-Avalanche-Photodioden (APD) am effizientesten sind. Unter dem Markennamen COUNT^® NIR wird ein Plug-and-Play-Modul angeboten mit einer bemerkenswerten Detektionseffizienz von 50 % bei 810 nm – und fast 80 % bei 700 nm – sowie einer extrem niedrigen Dunkelzählrate von < 50 cps. Der Photonenzähler basiert auf einer eigens entwickelten Einzelphotonen-Avalanche-Photodiode (SPAD), die im Geiger-Modus betrieben wird und extrem schwache Lichtsignale erfasst.

Das COUNT^® NIR bietet Forschern vielseitige Eigenschaften, die eine hohe Photonendetektionseffizienz, einen hohen Dynamikbereich und eine einfache Handhabung für die anspruchsvollsten Photonenzählanwendungen kombinieren. Das Produkt wird in allen Bestandteilen in der Laser Components Firmengruppe entwickelt und gefertigt.

Datenblatt:

Weitere Produktinformationen:
COUNT^® NIR

Hersteller:
LASER COMPONENTS Germany / Photon Counting

Kontakt:

Ansprechpartner:	Dr. Olga Stroh-Vasenev
Firma:	Laser Components Germany GmbH
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