Geballte Datenfracht im Quanten-Transport

Über den Dächern der kanadischen Stadt Ottawa haben Physiker einzelne Photonen über eine Entfernung von 300 Metern versendet. Das Besondere dabei: Erstmals ist es gelungen, den Photonen mehr Informationen als ein einzelnes Datenbit mit auf den Weg zu geben. Bis jetzt konnte man die Photonen, die man übertragen will, nur mit der Information 0 oder 1 ausstatten, also einem Bit (2D-Kryptographie). Den Wissenschaftlern um Prof. Ebrahim Karimi gelang es aber die Eigenschaften der Photonen zu verändern und damit mehrere Bits pro Lichtteilchen zu versenden. Die Photonen beinhalteten dann die Informationen 01, 10, 00 und 11. Diese Technik der Übertragung von Daten mit Quantenteilchen nennt sich 4D-Quantenkryptographie.

Die Quantenkryptografie könnte die Datentechnologie der Zukunft sein. Denn mit den Lichtteilchen ließe sich eine abhörsichere Übertragung von Informationen bewerkstelligen. Würde nämlich eine dritte Person die Photonen „abhören“, verändert das die Teilchen unweigerlich. Diese Aktion würde der Empfänger der Sendung bemerken und wissen, dass ein Fremder „mithört“.

In Ottawa bestand nun die Herausforderung für die Kryptographen darin, erstmals die Laborumgebung zu verlassen und die flüchtigen Photonen durch das Lichtermeer der Stadt sicher von einem Dach zum anderen zu übertragen. Luftturbulenzen und Erschütterungen, die gerade in städtischen Gebieten kaum berechenbar sind, kamen als zusätzliches Hindernis für das Experiment dazu. Werden die flüchtigen Teilchen den Flug über die Dächer überstehen?

Die Übertragung gelang. Zwar gingen einige Teilchen auf ihrer Reise verloren. Doch die Mehrzahl erreichte ihr Ziel. Die Forscher übertrugen im Durchschnitt 1,6 Mal mehr Informationen pro Photon als mit der herkömmlichen Ein-Bit-Photon Technik. Damit erhöhten die Quantenkryptographen die übertragene Informationsdichte erheblich. „Die von uns demonstrierte Quantentechnologie könnte für die Kommunikation mit Satelliten genutzt werden oder um verschlüsselte Daten zwischen Orten zu übertragen, die nicht über Glasfaser verbunden werden können, erklärt Karimi.

Mittlerweile kann man sogar zu Flugzeugen Quantensignale senden. Diese Technik ist wurde im Jahr 2013 mit Ein-Bit-Photonen erfolgreich von einem Team um Prof. Harald Weinfurter und Sebastian Nauerth von der Fakultät für Physik der Ludwig-Maximilians-Universität München erprobt. Damals gelang es den Münchner Quantenkryptographen Quantendaten zwischen einem Flugzeug und einer Bodenstation zu übertragen. Damit wurde erstmals eine Verbindung per Quantenkryptografie mit einem sich schnell bewegenden Objekt hergestellt.

Originalveröffentlichung:
High-dimensional intracity quantum cryptography with structured photons
Optica; Vol. 4, Issue 9, pp. 1006-1010 (2017); doi.org/10.1364/OPTICA.4.001006