Egal ob an der Supermarktkasse, beim Online-Banking oder auch beim Austausch von Infor­ma­tionen zwischen staat­lichen Insti­tu­tionen — die Über­tragung sensibler Daten per Internet setzt immer ein bestimmtes Maß an Vertrauen voraus. Denn sämt­lichen Verschlüs­se­lungs­systemen liegen mathe­matische Prinzipien zugrunde und können mit ent­sprechender Rechen­leistung theore­tisch auch geknackt werden. Deshalb entwickeln Wissen­schaftler der Uni Jena gemeinsam mit Kollegen der TU Ilmenau und des Fraunhofer-Instituts für ange­wandte Optik und Fein­mechanik Methoden, die auf physi­ka­lischen Grund­sätzen basieren und somit weitaus sicherere Alter­nativen bieten. Unter­stützt werden sie dabei von der Thüringer Aufbau­bank, welche die Forschungs­gruppe „Ultra­breit­bandige Hoch­frequenz-Ansteu­e­rung faser­ge­kop­pelter Laser­dioden für polari­sa­tions- und zeit­stempel­kodierte Einzel­photonen in der Quanten­kommu­ni­ka­tion“, kurz: FastPhoton, seit dem 1. Januar für zwei­ein­halb Jahre mit insge­samt 650.000 Euro finanziert. Das Projekt von Andreas Tünner­mann von der Uni Jena geleitete Projekt ist am Thüringer Inno­va­tions­zentrum „InQuoSens“ ange­siedelt, an dem Forscher bei der Thüringer Univer­si­täten elektro­nische und nano­photo­nische Lösungen für Quanten­licht­quellen entwickeln — denn genau diese benötigen die neuen Verschlüs­se­lungs­systeme.

Aktuell werden Daten häufig über Glas­faser­kabel mit Licht über­tragen. Dabei verwendet man für jedes Bit eine enorme Menge Photonen, da die Teilchen auf diese Weise gut detektiert und verstärkt werden können. „Gelänge es aber, die Infor­ma­tionen in ein­zelnen Photonen zu über­mitteln, dann kommen die Quanten­eigen­schaften der Teilchen zum Tragen, die rein physi­ka­lische Verschlüs­se­lungs­methoden ermög­lichen“, sagt Falk Eilen­berger von der Uni Jena. „Sicher­heits­technisch bedeutet das eine enorme quali­ta­tive Verbes­se­rung. Denn ein Photon lässt sich nur genau einmal vermessen und ist somit nur für genau einen Empfänger lesbar - ein Zugriff von außen wäre nicht möglich beziehungs­weise bliebe nicht unent­deckt. Sogar der Betreiber der Infra­struktur kann keine Daten heraus­ziehen. So wird Sicher­heit messbar.“

Die physikalischen Prinzipien für ein solches Vorgehen sind bereits seit einigen Jahr­zehnten bekannt und bewiesen. Nun gilt es, konkrete poten­zielle Anwen­dungen unter die Lupe zu nehmen. Elementar hierfür sind geeignete Einzel­photonen­quellen, die die not­wendigen Photonen mit präzise definierten Eigen­schaften produ­zieren. Auf deren Entwick­lung, Verbes­se­rung und Inte­gra­tion wollen sich die Wissen­schaftler im Rahmen der Forscher­gruppe besonders konzen­trieren. „Für Quanten­kommu­ni­ka­tion über sehr lange, inter­konti­nen­tale Distanzen müssen die Licht­quellen auf Satel­liten im All zum Einsatz kommen. Daher brauchen wir minia­tu­ri­sierte Systeme, die auch unter extremen Bedin­gungen und nicht nur in einer sterilen Labor­umge­bung funktio­nieren“, erläutert Christian Helgert, eben­falls Uni Jena. „Optisch sind wir hierbei auf einem guten Weg — erste wenige Zenti­meter große Einzel­photonen­quellen, die auf 2D-Mate­ri­alien basieren, haben wir bereits entwickelt.“

Der Fokus liege nun vor allem auf der elektro­nischen Inte­gra­tion solcher Systeme, um sie auch kosteneffizient gestalten zu können. „Die Koope­ra­tion zwischen Jena und Ilmenau ist hierfür ideal, denn wir haben die Exper­tise im opto­elektro­nischen Bereich — die Kollegen von der TU sind spezia­li­siert auf Hoch­leistungs­elek­tronik in rauer Umgebung“, sagt Eilen­berger. Trotz der erheb­lichen Fort­schritte auf dem Gebiet der Quanten­kommu­n­ika­tion gehen die Jenaer Experten davon aus, dass es noch einige Jahre dauern wird, bis End­nutzer Infor­ma­tionen auf diese Art und Weise aus­tauschen. Dann aber könnten solche Systeme, die auf Einzel­photonen basieren, als sichere Alter­native bei der Über­tragung hoch­sen­sibler Daten zum Einsatz kommen.

FSU / RK

Weitere Infos

• InQuoSens – Thuringian Innovation Center for Quantum Optics and Sensors, Friedrich-Schiller-Universität Jena & Technische Universität Ilmenau