Quanten-Verschlüsselung unter dem Meer realisiert

Das Quanteninternet der Zukunft soll eine vollkommen abhörsichere Kommuni­ka­tion zwischen Nutzern weltweit ermög­lichen. Das Rennen um die dafür am besten geeignete Quanten­techno­logie ist derzeit in vollem Gange. Besonders große Fort­schritte macht in diesem Wett­lauf eine Techno­logie, an deren Entwick­lung Forscher aus Öster­reich feder­führend beteiligt sind: die quanten­krypto­graphische Ver­schlüsse­lung von Information mithilfe verschränkter Photonen. Ein weiterer Durch­bruch bei der Entwicklung dieser Techno­logie ist jetzt einem inter­natio­nalen Team um Forscher der Öster­reichischen Akademie der Wissen­schaften und der Uni Wien gelungen: Sie etablierten über ein herkömm­liches, unter­see­isches Tele­kommu­ni­ka­tions­kabel mittels verschränkter Photonen eine quanten­ver­schlüsselte Verbindung zwischen Sizilien und Malta.

Dabei erzeugten sie an der Kommuni­ka­tions­station an der Küste Maltas zunächst Paare von Licht­teilchen, die über ihre zufällige Polari­sa­tion, mit­ein­ander verschränkt wurden. Der auf diese Weise gewonnene Quanten­schlüssel gilt als abhör­sicher: Findet bei derartig verschlüs­selter Informa­tions­über­tragung ein Abhör­versuch statt, würde das den quanten­physi­ka­lischen Zustand der Photonen aufgrund physi­ka­lischer Gesetz­mäßig­keiten umgehend ändern – und der Hacker sofort auf­fliegen.

Die Forscher um Rupert Ursin von der ÖAW detek­tierten in einem weiteren Schritt des Experi­ments den einen Teil des Photonen-Paares direkt an der Quelle in Malta. Der andere Teil wurde über ein Tele­kommu­ni­ka­tions­kabel am Meeres­boden über 96 Kilo­meter bis an die Küste Siziliens, wo zwei Glas­fasern zu einer Schleife verbunden waren, und wieder zurück­ge­schickt, um schließ­lich eben­falls detek­tiert zu werden.

Für die Methode, Quanten­schlüssel mithilfe von polari­sa­tions­ver­schränkten Photonen über längere Distanzen auf der Erde einzu­setzen, bedeutet die über­brückte Strecke von insgesamt 192 Kilo­metern eine neue Bestmarke. Bei dem Versuchs­aufbau konnten darüber hinaus vier Bits pro Sekunde. Zugleich erbrachten die Forscher mit dem Experi­ment auf dem Meeres­boden einen Nachweis für die uner­wartet hohe Stabilität der gewählten Methode und damit für das große Potenzial, das sie gerade in Verbin­dung mit herkömm­licher Tele­kommu­ni­ka­tions-Infra­struktur für die Schaffung eines Quanten­internet der Zukunft birgt.

„Wir zeigen über einen Zeitraum von mehr als sechs Stunden, dass wir ohne weitere Stabi­li­sie­rungen die Verbin­dung über die lange Distanz aufrecht erhalten können. Das zeigt, wie stabil die Umgebung ist, in der die Faser verlegt wurde“, erklärt Sören Wenge­rowsky von der ÖAW zu den Ergeb­nissen des Experi­ments. Ursin ergänzt zur Bedeutung des Experi­ments: „Diese Arbeiten könnten einen wichtigen Start­punkt für ein europä­isches Quanten­netz­werk dar­stellen. Ein solches Netz­werk wird nicht nur abhör­sicher sein, sondern es auch ermög­lichen, die Poten­ziale der Digi­ta­li­sierung voll aus­zu­schöpfen.“

ÖAW / U. Wien / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung:
  S. Wengerrowsky et al.: Passively stable distribution of polarisation entanglement over 192 km of deployed optical fibre, Nat. Quantum Inform. 6, 5 (2020); DOI: 10.1038/s41534-019-0238-8
• Institut für Quantenoptik und Quanteninformation, Österreichischen Akademie der Wissenschaften  und Universität Wien, Österreich