Single Photons ebnen den Weg in die Zukunft
Photonische Kommunikation
Beyond Borders
Viele halten das Quantencomputing für das Tor zu einer neuen Welt schnell denkender, intelligenter Computer. Während klassische Computer Informationen in Form von Bits verarbeiten, werden beim Quantencomputing so genannte Qubits verwendet. Zum Vergleich: Das klassische Bit kann durch eine Münze dargestellt werden, die nur Kopf oder Zahl zeigen kann, während Qubits eher einer Münze ähneln, die sich dreht, während sie geworfen wird.
Neben der gleichen Wahrscheinlichkeit, auf einer der beiden Seiten zu landen, gibt es noch weitere Eigenschaften wie die Drehgeschwindigkeit, die Drehrichtung, den Winkel der Drehachse und so weiter. All diese Eigenschaften können zur Übertragung von Daten genutzt werden - allerdings nur, solange sich die Münze dreht. Sobald sie auf dem Boden landet, wird sie wieder mit einer Seite nach oben liegen, und aus dem spannenden Qubit wird ein langweiliges altes Bit. (1)
Sichere Datenübertragung
Quantencomputer stellen eine potenzielle Bedrohung dar
Während IBM, Google und ihre jeweiligen Forschungsnetze an der Verbesserung der Quanteninformatik arbeiten, haben andere einen anderen Aspekt der Quantenzukunft im Auge - nämlich die Frage, wie sie sich auf die Cybersicherheit und die Datenverschlüsselung auswirken könnte.
Die Quanteninformatik stellt eine potenzielle Bedrohung dar, da sie in der Lage ist, bestehende Verschlüsselungsmethoden schnell zu entschlüsseln. Eine leicht verfügbare Lösung ist die Quantenschlüsselverteilung (QKD).
Die ersten theoretischen Grundlagen der Quantenverschlüsselung wurden bereits in den 1980er Jahren geschaffen. In der Regel werden einzelne Photonen nach dem Zufallsprinzip in verschiedene Polarisationszustände versetzt, die von einer Informationsquelle (Alice) an einen Empfänger (Bob) übertragen werden, wo sie in digitale Informationen zurückverwandelt werden. (2)
Eine der sichersten Formen, eine vertrauenswürdige Verbindung zwischen Alice und Bob herzustellen, ist die Verschränkung. Grob gesagt gibt es ein magisches Band zwischen einem Paar von Photonen, die als Zwillinge erzeugt wurden, das bewirkt, dass sich eines von ihnen genauso verhält wie das andere - selbst wenn sie meilenweit voneinander entfernt sind. Die Wissenschaftler nennen dies "spukhafte Wirkung in der Ferne". Wenn ein verschränktes Photon an Bob gesendet wird, während das andere zu Alice zurückkehrt, können sowohl die Daten als auch die Codeinformationen gleichzeitig übertragen werden.
Herausforderungen bei der Kommunikation über grosse Entfernungen
Beyond Borders
Mit Hilfe der modernen Glasfasertechnologie kann QKD heute angewandt werden, allerdings nur auf der Ebene von Großstädten. Aufgrund der optischen Dämpfung von Glasfasern können die Signale nur über einige hundert Kilometer übertragen werden, bevor sie zu ununterscheidbarem Geplapper degradiert werden. Bei älteren Technologien werden optische oder elektronische Repeater eingesetzt, um diese Hindernisse zu überwinden; auf Quantenebene werden diese Technologien jedoch in den nächsten Jahrzehnten wahrscheinlich nicht verfügbar sein. Anders als bei Funkübertragungen ist die Freiluftübertragung optischer Daten auf die so genannte "Sichtlinie" angewiesen, d. h. die ununterbrochene Verbindung zwischen Sender und Empfänger. Deshalb richten die Wissenschaftler ihren Blick wieder einmal über die Grenzen unseres Planeten hinaus. Die Dämpfung der Atmosphäre ist weitaus geringer als die einer Glasfaser. Das bedeutet, dass eine effektive Kommunikation über wesentlich größere Entfernungen möglich ist, sofern geeignete empfindliche Einzelphotonendetektoren vorhanden sind. Ein verschränkter Quantencode, der von einem Satelliten in der Erdumlaufbahn 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 genutzt, um einen traditionellen Quantencode von China nach Wien, Österreich, zu übertragen. An der National University of Singapore arbeiten Wissenschaftler derzeit an einem verschränkten Quantenverschlüsselungsgerät, das in einen kleinen sogenannten Nano-Satellitenwürfel von 11,35 cm × 10 cm × 10 cm passen wird. Der treffend benannte SpooQySat, der seit dem 17. Juni 2019 in Betrieb ist, dient derzeit als Live-Demonstration einer verschränkten Photonenquelle im Weltraum.
Auf der Erde müssen die Detektoren auf Bobs Seite in der Lage sein, ein einzelnes kodiertes Photon aus dem gesamten Hintergrundrauschen herauszufiltern. Normalerweise verwenden die Wissenschaftler Einzelphotonen-Avalanche-Dioden, die eintreffende Photonen absorbieren und in elektrische Signale umwandeln. Ihre Qualität wird durch ihre Quanteneffizienz und die Fähigkeit, das Hintergrundrauschen auszublenden, definiert.
(1) www.sciencealert.com/quantum-computers
(2) en.wikipedia.org/wiki/Quantum_key_distribution
Jedes Photon zählt
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