Die Idee, abhörsichere Verbindungen durch Quantenverschlüsselung zu schaffen, ist keine neue: Im Jahr 2017 gelang es etwa dem Wiener Physiker Anton Zeilinger und Kollegen, ein erstes derartig verschlüsseltes Videotelefonat über einen chinesischen Quantenkommunikationssatelliten mit Wissenschaftern in Peking zu führen. Einem Forschungsteam der Johannes-Kepler-Universität Linz (JKU) und der Uni Wien ist es nun aber gelungen, eine neue Methode praktisch zu demonstrieren: Sie nutzten eine neuartige Quantenlichtquelle, um ein Bild zwischen zwei Linzer Forschungsgebäuden zu übertragen.

"Damit ist die technische Machbarkeit nachgewiesen", heißt es vom Team rund um Armando Rastelli, Professor für Halbleiterphysik an der JKU. Übertragen wurde das Bild – das zeitgemäß das Virus Sars-CoV-2 darstellte – über ein 350 Meter langes Glasfaserkabel. Entscheidend ist freilich die Art der Verschlüsselung, für die das Team quantenphysikalisch verschränkte Lichtteilchen, also Photonen, aus einer zukunftsträchtigen Quelle nutzte.

Schnelle Übertragung zukünftig möglich

Anders als bei früheren Demonstrationen stammen die Photonen erstmalig aus Halbleiternanostrukturen, sogenannten Quantenpunkten. Diese sind aus Materialien ähnlich wie herkömmliche Lichtquellen für die faserbasierte Kommunikation aufgebaut. Quantenpunkte bestehen aus einigen Tausend Atomen und verhalten sich gemeinschaftlich wie ein künstliches "Makroatom".

Der Vorteil dieser Methode: "Zwar ist noch weitere Forschung notwendig, aber mit unserer Methode sind Übertragungsraten im Bereich von hunderten Megabit pro Sekunde durchaus möglich", sagt Rastelli. Die Bildübertragung lief diesmal noch wesentlich langsamer, mit etwa 85 Bit pro Sekunde. Bis zu hochauflösendem Videostreaming dürfte es daher noch dauern – aber prinzipiell ist es machbar und verspricht eine Qualität, an die bisher genutzte Photonenquellen nicht herankommen.

Abhörversuche vereitelbar

Ein wichtiger Punkt ist dabei: "Die Quantenübertragung war nicht nur fehlerfrei – sie kann auch nicht mehr unbemerkt abgehört werden", wie die Forscher auch im Fachblatt "Science Advances" schreiben. Das liegt daran, dass das System auf ein Eingreifen von Dritten sehr sensibel reagiert. Durch die Verschränkung der Photonen werden bei beiden Kommunikationspartnern ganz zufällige und identische digitale Schlüssel erzeugt, die nie über einen öffentlichen Kanal verteilt werden müssen.

Falls ein Angreifer nun während der Erzeugung der Schlüssel versucht, den Vorgang abzuhören, so ist dies sofort durch Störungen erkennbar und der Vorgang wird abgebrochen. Das versuchte Abhören fällt also auf, noch bevor die Übertragung der eigentlichen Daten stattfindet.

Sichere Kommunikation

Die fertigen Schlüssel werden dann von beiden Partnern verwendet, um Nachrichten sicher zu verschlüsseln. Sie können gefahrlos über herkömmliche Kanäle wie das Internet versendet und auf der Gegenseite ohne Fehler wieder entschlüsselt werden. Damit wäre eine enorm sichere Kommunikation möglich.

Durch die hohe Qualität der erzeugten Photonen ist diese Art der Lichtquelle natürlich für Quantenkommunikation und das zukünftige möglichst flächendeckende Quanteninternet wichtig. Bei diesem Ansatz mit Halbleiter-Quantenpunkten bewegt man sich aber auch in einer Materialumgebung, auf der herkömmliche Elektronik basiert. Das macht die Methode deshalb auch besonders für die Anwendung bei optischen Quantencomputern und Quantensimulatoren interessant. (sic, red, 15.4.2021)