Technische Universität Berlin

Medieninformation | 25. Juni 2020 | kj

Auf dem Weg zu einer sicheren Datenübertragung

Quantenkommunikation: Wissenschaftler*innen der Technischen Universität Berlin optimieren das Zusammenspiel zwischen Alice und Bob

Die Entwicklung absolut sicherer Kommunikationssysteme ist das Ziel der BMBF-Nachwuchsgruppe Quantum Communication Systems um Dr. Tobias Heindel an der Technischen Universität Berlin. Dafür bekam sein Team 2018 ein Budget von rund zwei Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung.

Jetzt kann seine Arbeitsgruppe erste Erfolge auf dem Weg zu einer sicheren Datenübertragung mittels Quantenlichtquellen aufweisen, die in verschiedenen renommierten Journalen publiziert wurden.

Die Quantenschlüsselverteilung optimieren

„Wir sind dabei, die Quantenschlüsselverteilung in diesen Systemen zu optimieren und weiterzuentwickeln“, so der Nachwuchsgruppenleiter. Die Forschungsergebnisse könnten in künftigen Quanten-Netzwerken Einsatz finden und deren Leistungsfähigkeit entscheidend steigern. Für seine Forschung bekommt Dr. Tobias Heindel dieses Jahr den Karl-Scheel-Preis der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin verliehen.

Nimmt man als Sinnbild für die Quantenkommunikation die schon oft zitierte sichere Verbindung zwischen Alice (Sender) und Bob (Empfänger), so haben die Wissenschaftler*innen an beiden Seiten des Systems gefeilt. In einer kürzlich publizierten Arbeit in dem Nature-Partner-Journal „npj Quantum Information“ beschäftigt sich das Team mit dem Zusammenspiel zwischen Alice und Bob.

„Letztlich hat uns interessiert, wie muss Bob messen, um eine höchstmögliche sichere Datenrate zu erreichen“, so Tobias Heindel.

Einzelphotonenquelle statt Laserpuls

Für ihre Untersuchungen hat die Forschungsgruppe ein Experiment aufgebaut, welches Einzelphotonenquellen für die Quantenkommunikation nutzt. Diese sind deshalb so interessant, weil einzelne Photonen im Gegensatz zu Laserpulsen die Sicherheit und die Übertragungsrate der Quantenkommunikation erheblich steigern können. „Im Ergebnis haben wir gefunden, dass ein spezieller zweidimensionaler Filter bei Bob verwendet werden muss, um minimale Quantenbit-Fehlerraten zu erreichen und dennoch einen Großteil des Einzelphotonensignals nutzen zu können“, so Tobias Heindel.

Zudem gelang es den Wissenschaftlern mit ihrer Methode, die Photonenstatistik, sprich die zeitliche Verteilung einzelner Lichtquanten innerhalb des Quantenkanals, direkt während der Schlüsselerzeugung zu messen, wodurch Lauschangriffe noch effektiver aufgedeckt werden können. Ihre Erkenntnisse wollen die Wissenschaftler*innen bald auch in einer Teleskop-Verbindung zwischen Gebäuden der TU Berlin testen. „Die dafür notwendigen Teleskop-Module werden derzeit schon gebaut“, so Timm Kupko, Doktorand aus dem Team von Tobias Heindel.

Kompatibel mit weltweit genutzten Glasfasernetzen

„Zum anderen haben wir auch an dem Sender, also Alice, weitergearbeitet. Dazu haben wir uns sogenannte ‚Bullseye‘-Resonatoren angesehen, deren Struktur einer Dartscheibe in Mikrometergröße ähnelt, in deren Zentrum ein Quantenemitter platziert ist. Unser Fokus lag darauf, das Design der Strukturen rechnerisch so zu optimieren, dass die Photonen direkt in optische Glasfaser eingekoppelt werden können, die kompatibel mit den weltweit genutzten Glasfasernetzen in der Telekommunikation sind.“ Die so simulierten Bauteile versprechen Photonen-Auskopplungseffizienzen von über 95 Prozent. Somit konnten die Wissenschaftler*innen in ihren Rechnungen zeigen, dass die meisten Photonen direkt in die Glasfaser eingekoppelt werden – ohne dass eine weitere Optik dazwischengeschaltet werden muss. „Unser Teammitglied Lucas Rickert ist aktuell dabei, erste Quantenlichtquellen dieser Art im Reinraum des Zentrums für Nanophotonik an der TU Berlin herzustellen“, erläutert Tobias Heindel.

Die Nachwuchsgruppe kooperiert für die Herstellung solcher Quantenbauelemente eng mit dem Fachgebiet Optoelektronik und Quantenbauelemente von Prof. Dr. Stephan Reitzenstein. Zusammen haben die beiden Gruppen kürzlich einen Review veröffentlicht, welcher unterschiedliche Verfahren zur skalierbaren Herstellung von festkörperbasierten Quantenlichtquellen – also dem Herzstück von Alice – diskutiert. Diese sogenannten „deterministischen“ Technologien sind interessant, da sie die hohe Leistungsfähigkeit von Quantenlichtquellen mit hohen Bauteilausbeuten kombinieren. „Ein essenzieller Schritt, wenn man an die Anwendung denkt“, so Tobias Heindel.

Berlin-weites Quantennetzwerk

Künftig wollen die Wissenschaftler*innen ihren Blick verstärkt auch auf Verfahren der Quantenkommunikation richten, die jenseits einer direkten Punkt-zu-Punkt-Verbindung liegen und auch komplexere Aufgaben adressieren, als die bloße Verteilung eines sicheren Schlüssels zwischen zwei Parteien. „Gemeinsam mit Kolleg*innen der Freien Universität Berlin, der Humboldt-Universität zu Berlin sowie etlichen außeruniversitären Forschungsinstituten in Berlin-Brandenburg arbeiten wir in Richtung eines Berlin-weiten Quantennetzwerkes, dem sogenannten Berlin Quantum Network“, beschreibt der Gruppenleiter die ehrgeizigen Zukunftspläne.

 

Tobias Heindel erhält Karl-Scheel-Preis

Für seine erfolgreiche wissenschaftliche Arbeit in den vergangenen Jahren wird Dr. Tobias Heindel dieses Jahr mit dem Karl-Scheel-Preis der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin (PGzB) ausgezeichnet. Die PGzB verleiht den Karl-Scheel-Preis seit mehr als 50 Jahren jährlich für eine herausragende wissenschaftliche Leistung, die in den Jahren unmittelbar nach der Promotion und vorwiegend an einer Forschungseinrichtung in Berlin oder Brandenburg erbracht wurde. Der mit 5.000 Euro dotierte Preis der PGzB wird dem Wissenschaftler am 26. Juni 2020 im Magnus-Haus Berlin verliehen.

Die Nachwuchsgruppe wird über das Projekt „QuSecure“ (Förderkennzeichen: 13N14876) im Rahmen des Förderprogramms „Photonik Forschung Deutschland“ durch das BMBF gefördert.

 

Kontakt

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