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Erster Quantenlichtspeicher bei Raumtemperatur

Deutsche und dänische Forscher haben erstmals einen sogenannten Quantenspeicher für die Glasfaserübertragung verschlüsselter Daten gebaut: Das Licht tritt in eine kleine Gaszelle mit Cäsiumatomen und wird dort bis zu einer Millisekunde zwischengespeichert. Dann tritt es wieder heraus, wobei es seine für die Quantenkryptographie charakteristischen Eigenschaften behält. ?Das besondere an dem Experiment ist, dass es bei normalen Raumtemperaturen funktioniert?, erklärt Martin Plenio von der Universität Ulm. Der Physiker hat das theoretische Rüstzeug für den Quantenspeicher geliefert. Ein solcher Speicher wäre ein wesentliches Bauelement eines sogenannten Quantenrepeaters, mit dem die als abhörsicher geltende Quantenkryptografie auch über eine Transatlantikstrecke gelänge.

Die Quantenkryptografie gilt deswegen als sicher, da ein Abhören die spezielle quantenmechanische Präparation der Lichtteilchen in einer Glasfaser stört. Sender und Empfänger wüssten sofort, dass jemand in die Datenübertragung eingreift. Für längere Strecke muss der Lichtimpuls, der im Glasfaser durch Absorption immer schwächer wird, allerdings aufgefrischt werden. Auf derzeitigen Glasfaserstrecken in den Ozeanen dieser Welt geschieht das alle 50 bis 100 Kilometern mit sogenannten Repeatern.

Für die Quantenkryptografie über den Ozean müssten diese Repeater allerdings völlig neu konzipiert werden, wobei die Zwischenspeicherung ein wesentliches Bauelement wäre. Der Ulmer Theoretiker Plenio und seine Kollegen vom Niels-Bohr-Institut der Universität Kopenhagen versetzten daher die ein bis sieben Photonen eines Laserimpulses in einen bestimmten quantenmechanischen Zustand und bestrahlten damit Cäsiumatome in einem Glaswürfel mit Kantenlänge von einem Zentimeter. Nach bis zu einer Millisekunde Verzögerung kam der Lichtpuls in Strahlrichtung wieder heraus. Die für die Quantenkryptografie wichtigen Eigenschaften blieben dabei erhalten.

Andere Wissenschaftler hätten zwar schon Quantenspeicher demonstriert, sagt Plenio. Die funktionierten allerdings nur über ein sogenanntes Bose-Einstein-Kondensat bei Temperaturen weit unter einem Tausendstel Kelvin. ?Es ist aber wichtig, einen Lichtspeicher, zu bauen, der auch unter Umgebungsbedingungen funktioniert.?

Längere Speicherzeiten als einige wenige Millisekunden sind nicht möglich, da Bewegungen und Kollisionen im Cäsiumgas die Quanteneigenschaften des Lichts verändern, erklärt Plenio. Eine Millisekunde reiche aber vollkommen aus, um in einem noch zu entwickelnden Quantenrepeater das Licht zu vermessen, zu verstärken und dann wieder auszusenden.

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Martin Plenio (Universität Ulm) et al.: Nature Physics, doi: 10.1038/nphys1819 Weitere Informationen: Institut für Theoretische Physik, Universität UlmArbeitsgruppe von Martin Plenio Martin Schäfer (unterstützt durch das Kompetenznetz Optische Technologien in Baden-Württemberg, Photonics BW)
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