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Alltagstaugliche Quantenphysik

Das sind Regeln, die der Intuition und Alltagserfahrung widersprechen. Aber es sind nicht nur Mutmaßungen, sondern Erkenntnisse, die experimentell vielfach bestätigt wurden.

„Will man Quantenschlüssel weltweit verteilen, benötigt man dafür ein Netzwerk“, sagt Hübel. Doch die Bausteine dafür sind bislang nur im Labor verwirklicht worden. Die Herausforderung besteht darin, die Quantenphysik in ein alltagstaugliches Netz zu überführen.

Daran arbeiten Wissenschaftler weltweit. Zum Beispiel in der BMBF-Nachwuchsforschergruppe von Tobias Heindel an der Technischen Universität Berlin: Der Physiker will mit seinem Team ein kleines Quantennetzwerk für den Austausch von Quantenschlüsseln auf der Basis von Glasfasern aufbauen. Als Einzelphotonen-Quelle sollen Nanostrukturen in Halbleitern dienen. „Unser Ziel ist ein möglichst praxisnahes System mit Quantenlichtquellen, die kompakter sind als bislang verfügbar und die quasi auf Knopfdruck funktionieren“, sagt der Berliner Forscher. Beim Schlüsselaustausch möchte er mit seinem Team verschiedene technische Ansätze erproben.

Ein Mittel gegen das Misstrauen

„Die Quantenkryptografie bietet die Chance, das Sicherheitsgefühl bei der Datenkommunikation weltweit zu steigern“, ist Heindel überzeugt. „Heute sind viele beim Thema Verschlüsselung ja misstrauisch.“ Nicht zuletzt, weil man weiß, wie leicht Geheimdienste Zugang zu sicherheitsrelevanten Informationen erlangen. Allerdings gab es vor etwa zehn Jahren Meldungen, dass quantenkryptografische Systeme, die Forscher stolz präsentiert hatten, nicht sicher seien. Die Zweifel waren berechtigt, doch ging es bei diesen frühen Labormustern meist nur darum, die Machbarkeit zu zeigen – und nicht um eine bestmögliche technische Umsetzung. „Doch mit neuen sogenannten bauteilunabhängigen Protokollen für den Austausch von Quantenschlüsseln wird eine absolut sichere Kommunikation möglich sein“, ist Heindel überzeugt. Das lasse sich mathematisch beweisen.

Um eine solche Art der Kommunikation weltumspannend nutzen zu können, müssen sich die einzelnen Photonen über große Distanzen verschicken lassen – entweder über Glasfasern oder per Satellit. Beides ist technisch nicht einfach, denn verglichen mit gewöhnlichen optischen Datensignalen sind die Signale der Quantenschlüssel extrem schwach. Um Störungen der Kommunikation durch Rauschen zu vermeiden, müssen die technischen Bauteile gekühlt werden.

Will man Standardtechnik nutzen und nur elektrisch kühlen, lassen sich Temperaturen von etwa minus 70 Grad Celsius erreichen. Dann sind Datenübertragungen per Glasfaser über eine Distanz von 100 bis 200 Kilometer möglich. „Das ist derzeit die Grenze“, sagt Heindel. Durch tiefere Temperaturen ließe sich die Reichweite vergrößern, doch das würde die Handhabung der Kryptografie deutlich erschweren.

Und es gibt noch mehr technische Hemmnisse: „Eine zusätzliche Faser für die Quantenkommunikation in ein Glasfaserkabel einzuziehen, wäre teuer“, sagt der Wiener AIT-Forscher Hübel. „Also bleibt nur die Möglichkeit, die bereits verlegten Fasern für den Austausch von Quantenschlüsseln zu nutzen.“

Strikte Trennung der Signale

Doch das Schlüsselsignal ist nur etwa ein Tausendstel so stark wie ein gewöhnliches Datensignal. „Damit es nicht untergeht, muss man daher die beiden Signale zeitlich oder räumlich voneinander trennen“, erklärt Hübel. Das bedeutet: Entweder wird das Schlüsselsignal nur in Zeitfenstern gesendet, in denen keine Daten fließen, oder in einem Wellenlängenbereich, der ausschließlich dem Schlüsselsignal zur Verfügung steht. Der Nachteil: Beides kostet Übertragungskapazität zulasten der normalen Daten.

Eine Alternative bieten Satellitenverbindungen. Ihr Vorteil: Die Dämpfung der Photonen durch die Erdatmosphäre ist stets gleich stark – egal, ob auf dem Umweg durchs All eine Strecke von 500 oder 5000 Kilometern auf der Erde zu überwinden ist. Allerdings erschweren es die Launen des Wetters und der Wechsel von Tag und Nacht, die Bedingungen beim Austausch der Quantenschlüssel zu kontrollieren. Zudem ist die Übertragung per Satellit deutlich teurer als per Glasfaser.

Dennoch hat ein chinesisches Forschungsteam die Funktionsfähigkeit der Satellitenübertragung 2017 zum ersten Mal demonstriert, wobei sich aber in jeder Sekunde nur eines von sechs Millionen möglichen Photonen-Paaren detektieren ließ. Das war zu wenig für eine praktische Anwendung. 2020 gelang dem Team immerhin eine Vervierfachung der Detektionsrate, doch das ist immer noch zu wenig. Im Rahmen eines 2018 begonnenen EU-Projekts, an dem unter anderem die europäische Raumfahrtagentur ESA und das AIT beteiligt sind, soll ebenfalls ein Satellit für die Quantenkommunikation gestartet werden.

Unabhängig von der Frage, ob der Weg der Signale über Glasfaser oder Satellit führt, ist ein wesentliches Forschungsziel die Miniaturisierung der Komponenten für den Austausch der Quantenschlüssel. „Statt eines Laboraufbaus von einem Meter Länge brauchen wir Photonenquellen auf einem wenige Quadratmillimeter kleinen Chip“, sagt Hübel. Und auf diesem Chip müssen auch noch die mikrooptischen Elemente Platz finden, die für die Steuerung und Einspeisung der Photonen in ein Netz erforderlich sind.“

Auf der Seite des Empfängers geht es dagegen vor allem um eine Reduktion des Rauschens. „Die benötigten Detektoren aus dem halbleitenden Material Indium-Gallium-Arsenid lassen sich bislang noch nicht so rein herstellen, dass ihr Rauschniveau dem von etablierten Siliziumdetektoren entspricht“, sagt Hübel. Das Material aus den drei chemischen Elementen wäre ideal, weil es im Gegensatz zu Silizium im Wellenlängenbereich, der für die Übertragung genutzt wird, kaum Energie absorbiert. Hochreines Indium-Gallium-Arsenid ist auch für andere Anwendungen interessant, sodass die Quantenkommunikations-Forscher auch von neuen Erkenntnissen in anderen Forschungsfeldern profitieren können.

„Langfristig brauchen wir für den globalen Austausch von Quantenschlüsseln sogenannte Quanten-Repeater, um jederzeit eine durchgängig sichere Übertragung von Informationen zu gewährleisten“, sagt Hannes Hübel. Solche Repeater „beamen“ einzelne Photonen über große Distanzen, ohne dass sie dadurch ihren Zustand ändern. Sie nutzen dazu die Teleportation – ein Quantenphänomen, das ebenfalls der Alltagserfahrung widerspricht. Denn dieser Quanteneffekt ermöglicht es, über beliebige Entfernungen ohne Zeitverzug zu übertragen.

China prescht vor

Inzwischen hat ein weltweites Wettrennen um eine praxistaugliche Quantenkommunikation begonnen. Dabei richten Forscher in den USA ihren Fokus auf die Entwicklung von Quantencomputern, während die Quantenkommunikation dort erst allmählich an Bedeutung beginnt. „In China dagegen setzt man vor allem auf die Quantenkommunikation – wenn auch mit überwiegend handelsüblicher Hardware, was die technischen Möglichkeiten begrenzt“, sagt der Berliner Physiker Tobias Heindel. „Dort fließt enorm viel Geld in die angewandte Forschung.“

So hat man in China neben dem besagten Satelliten in den letzten Jahren eine 2000 Kilometer lange Glasfaserverbindung zwischen Peking und Schanghai gebaut, die als Basis künftiger lokaler Netze für den Austausch von Quantenschlüsseln dienen soll.

Allerdings wäre das keine durchgängige Quantenverbindung, denn das ist technisch wegen der stark verrauschten Schlüsselsignale noch nicht möglich. Vielmehr besteht die Verbindung aus 32 Knoten, an denen die Quantenschlüssel jeweils wieder in klassische Informationen umgewandelt werden müssen, bevor sie sich erneut erzeugen und als Quantenschlüssel weiterschicken lassen. An diesen Knoten könnten neugierige Lauscher problemlos spionieren.

Experimentieren im Alltagseinsatz

Böse Zungen könnten die Technik daher auch als „Quantenkommunikation made in China“ bezeichnen. Doch sie illustriert, was Heindel mit angewandter Forschung meint: Experimentieren im Alltagseinsatz. Europa sei bei der Quantenkommunikation auch sehr aktiv, sagt der Wissenschaftler, hätte sich aber lange Zeit auf die Erforschung der physikalischen Grundlagen konzentriert. Doch das ändert sich gerade.

Das belegt beispielsweise ein europäisches Forschungsprojekt, bei dem es um Anwendungen des Quantenschlüssel-Tauschs geht. Rund 40 Partner aus Industrie und Forschung erproben dabei konkrete Szenarien: bei Behörden, Banken, Energieversorgern und im Gesundheitswesen. Die Leitung liegt beim AIT in Wien. „Die Projektpartner wollen herausfinden, wo sich der Quantenschlüssel-Austausch lohnt“, erläutert Hübel. Welche Distanzen sind gewünscht? Welche Photonenraten sind erforderlich? Wie lassen sich die Systeme am besten in die bestehende Infrastruktur integrieren?

Mit an Bord sind die acht Anbieter aus Europa, die bereits heute entsprechende Lösungen parat haben. Der Wiener AIT-Experte Hannes Hübel erwartet, dass in den nächsten Jahren etliche europäische Firmen gegründet werden, die neue Techniken für eine sichere Quantenkommunikation entwickeln. Die Aufholjagd hat begonnen.