Eine neue Technik für Anwendungen der Quantenkryptographie

Mit der Entwicklung von Quanten­computern droht die klassische Kryptographie für die sichere Kommunikation obsolet zu werden. Die Quanten­krypto­graphie hingegen nutzt die Gesetze der Quantenmechanik, um uneinge­schränkte Sicherheit zu gewähr­leisten. Ein Beispiel ist die Quanten­schlüssel­verteilung, die es zwei Parteien ermöglicht, eine Nachricht durch einen zufälligen geheimen Schlüssel zu sichern. Dieser wird mithilfe von Quanten­teilchen, in der Regel Photonen, erzeugt. Wissen­schaftler machen dafür zunehmend Gebrauch von einem Alphabet, das auf speziellen Eigenschaften der Photonen basiert, nämlich ihrer Farb­kompo­sition. Bislang fehlte allerdings ein spezielles Gerät, um die Informationen wieder zu decodiert. Forschern der Uni Paderborn gelang es jetzt, einen solchen Decoder zu entwickelt.

„Protokolle der Quanten­schlüssel­verteilung, die binäre Codierungen verwenden, sind weit verbreitet. Dennoch können ihre Sicherheit und Effizienz verbessert werden, wenn ein größeres Alphabet zur Codierung verwendet wird“, erläutert Benjamin Brecht von der Uni Paderborn. „Hier kommen die zeitlichen Pulsmoden zum Einsatz, bei denen die Informationen in der Farb­zusammen­setzung der Photonen codiert werden. Ein Schlüssel­verteilungs­system, das auf diesen Moden basiert, erfordert einen mehr­kanaligen Decoder, der in der Lage ist, alle Buchstaben eines Alphabets gleichzeitig zu lesen. Dieses Gerät wurde jedoch bisher noch nicht realisiert.“

Das Team hat jetzt ein Multi-Ausgangs-Quantenpuls-Gatter, kurz mQPG, entwickelt. Dieses trennt die eingehenden Buchstaben in verschiedene Ausgangs­farben, die sich dann mit einem Spektrometer erkennen lassen. Außerdem haben die Forscher einen voll­ständigen hoch­dimen­sio­nalen Decoder auf Basis des mQPG demonstriert, der Verschlüsselungs­protokolle auf der Grundlage einzelner Photonen ermöglicht.

„Die Vielseitigkeit des mQPG macht es zu einer wertvollen Ressource für viele Anwendungen der Quanten­kommuni­kation und eröffnet zusätzlich weitere Möglich­keiten für alle auf temporären Moden basierenden Techno­logien“, betont Brecht.

U. Paderborn / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  L. Serino et al.: Realization of a Multi-Output Quantum Pulse Gate for Decoding High-Dimensional Temporal Modes of Single-Photon States, PRX Quantum 4, 020306 (2023); DOI: 10.1103/PRXQuantum.4.020306
• Integrated Quantum Optics, Fklt. für Naturwissenschaften, Universität Paderborn