Quantennetzwerk in Berlin
Nachwuchsgruppe „Quantum Communication Systems“ sucht nach Wegen zu einer sicheren Datenübertragung.
Die Entwicklung absolut sicherer Kommunikationssysteme ist das Ziel der BMBF-Nachwuchsgruppe „Quantum Communication Systems“ um Tobias Heindel an der TU Berlin. Ausgestattet mit rund zwei Millionen Euro vom Bundesministerium für Bildung und Forschung kann seine Arbeitsgruppe erste Erfolge auf dem Weg zu einer sicheren Datenübertragung mittels Quantenlichtquellen aufweisen. „Wir sind dabei, die Quantenschlüsselverteilung in diesen Systemen zu optimieren und weiterzuentwickeln“, so Heindel. Die Forschungsergebnisse könnten in künftigen Quanten-Netzwerken Einsatz finden und deren Leistungsfähigkeit entscheidend steigern. Zudem bekommt Heindel dieses Jahr den Karl-Scheel-Preis der Physikalischen Gesellschaft zu Berlin verliehen.
Nimmt man als Sinnbild für die Quantenkommunikation die sichere Verbindung zwischen Alice (Sender) und Bob (Empfänger), so haben die Wissenschaftler an beiden Seiten des Systems gefeilt. „Letztlich hat uns interessiert, wie muss Bob messen, um eine höchstmögliche sichere Datenrate zu erreichen“, so Heindel. 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 Heindel.
Zudem gelang es den Wissenschaftlern mit ihrer Methode, die Photonenstatistik, also die zeitliche Verteilung einzelner Lichtquanten innerhalb des Quantenkanals, direkt während der Schlüsselerzeugung zu messen, wodurch Lauschangriffe noch effektiver aufgedeckt werden können. Ihre Erkenntnisse wollen sie bald auch in einer Teleskop-Verbindung zwischen Gebäuden der TU Berlin testen. „Die dafür notwendigen Teleskop-Module werden derzeit schon gebaut“, so Doktorand Timm Kupko. „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“, sagt Heindel.
Die so simulierten Bauteile versprechen Photonen-Auskopplungseffizienzen von über 95 Prozent. Somit konnten die Wissenschaftler 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“, sagt Heindel.
Künftig wollen die Wissenschaftler 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 Kollegen 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 Berlin Quantum Network“, beschreibt der Gruppenleiter die ehrgeizigen Zukunftspläne.
TU Berlin / JOL
