Quantenkryptographie auf dem Computerchip - wissenschaft.de
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Quantenkryptographie auf dem Computerchip

Forscher der amerikanischen Yale-Universität haben eine neuartige Lichtquelle entwickelt, die einzelne Photonen im Mikrowellenbereich auf Kommando aussenden kann. Sie eignet sich somit prinzipiell zur Übertragung mittels der Gesetze der Quantenmechanik verschlüsselter Informationen. Derartige Quellen existieren zwar schon seit mehreren Jahren, jedoch weist die neue eine entscheidende Besonderheit auf: Sie lässt sich problemlos mit den Leiterbahnen eines herkömmlichen Computerchips integrieren. Damit könnte sie einen weiteren Schritt in der Entwicklung des Quantencomputers sein.

Die von Robert Schoelkopf und seinen Kollegen entwickelte Lichtquelle besteht aus einer sogenannten supraleitenden Tunnelbarriere ? im Prinzip nichts weiter als zwei kleine Stücke eines Supraleiters, die durch einen winzig kleinen Spalt voneinander abgetrennt sind. Wenn ein Photon mit einer Energie im Mikrowellenbereich des Spektrums auf eine derartige Tunnelbarriere auftrifft, so kann ein Elektronenpaar von einem der beiden Supraleiter durch den Spalt auf den anderen tunneln.

Die Tunnelbarriere befindet sich somit in einem energetisch angeregten Zustand. Auch der umgekehrte Vorgang ist möglich ? das Elektronenpaar tunnelt unter Ausstrahlung eines Mikrowellenphotons wieder zu seinem Ursprungsort zurück. Die Yale-Forscher zeigen in ihrer Studie, wie dieser Vorgang durch das Anlegen einer elektrischen Spannung an die Tunnelbarriere kontrolliert werden kann. Der dabei verwendete Supraleiter bestand aus auf Temperaturen in der Umgebung des absoluten Nullpunkts abgekühltem Aluminium.

Die von der Lichtquelle ausgesandten Photonen waren zudem mit den tunnelnden Elektronenpaaren quantenmechanisch gekoppelt. Auf diese Weise könnten die Tunnelbarrieren als Elemente einer Speicherbank für QBits eingesetzt werden, und die ausgesandten Mikrowellenphotonen würden gewissermaßen den Datenbus darstellen, so Schoelkopf.

Bevor diese Vision Wirklichkeit werden kann, muss allerdings die Effizienz der Photonenaussendung beträchtlich erhöht werden ? sie liegt derzeit bei nur zwölf Prozent. Praktische Anwendungen werden zudem den Einsatz von Hochtemperatursupraleitern erfordern, so dass die Arbeitstemperatur mittels Stickstoff- oder thermoelektrischer Kühlung erreicht werden kann.

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Nature (Band 449 Seite 328) Stefan Maier
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