Fehlertolerante Quantenkommunikation mittels Diamant Quantenphotonik
Die Möglichkeit, Informationen abhör- und manipulationssicher zu übertragen, bildet das Fundament einer freiheitlichen digitalen Gesellschaft. Heutige Verschlüsselungsmethoden basieren auf der Annahme, dass die Berechnung bestimmter komplexer mathematischer Probleme so viel Rechenleistung erfordert, wie sie derzeit niemandem zur Verfügung steht. Mit künftig verfügbaren Quantencomputern werden sich die heute gängigen Verschlüsselungsverfahren jedoch voraussichtlich brechen lassen. Das führt schon heute zu Unsicherheiten, da verschlüsselt übertragene Daten gespeichert und in der Zukunft entschlüsselt werden können.
Eine sichere Alternative stellt die Quantenkommunikation dar. Dabei werden zwischen Sender und Empfänger Quantenzustände ausgetauscht, aus denen sichere Schlüssel zur Übertragung von Information generiert werden. Der Vorteil: Fundamentale Prinzipien der Physik garantieren, dass dieser Schlüssel nicht kopiert werden kann und jeder Versuch, den Schlüssel beim Austausch der Quantenzustände abzufangen, bemerkt wird. Heutige Quantenkommunikationssysteme überbrücken lediglich Distanzen von ca. 100 km – ab dann nehmen die durch Übertragungsverluste in Glasfasern auftretenden Fehler überhand.
Quantenkommunikationssysteme, die zur Übertragung von Daten von mehr als 100 km geeignet sind, benötigen eine leistungsfähige Fehlerkorrektur. Eine Quanteninformationseinheit, ein sogenanntes logisches Qubit, wird dabei in viele physische Qubits geschrieben. So lassen sich auf dem Übertragungsweg aufgetretene Fehler beim Empfänger korrigieren. Einen vielversprechenden, neuartigen Ansatz für eine solche Fehlerkorrektur stellen photonische Clusterzustände dar, die im Projekt QuaDiQua untersucht werden. Ein solcher Clusterzustand setzt sich aus mehreren Photonen zusammen, sodass am Ziel trotz einzelner, bei der Übertragung verloren gegangener Photonen, das logische Qubit empfangen wird. Um solche Clusterzustände zu erzeugen, werden neuartige Quantenlichtquellen hergestellt, die auf Nanodiamantstrukturen basieren. Dabei werden im Diamantgitter an einzelnen Stellen Fremdatome eingebracht (Gruppe-4-Farbzentren, wobei zwei benachbarte Kohlenstoffatome durch ein Silizium-, Germanium-, Zinn- oder Bleiatom ersetzt werden). Begleitend dazu werden die nachrichtentechnischen Grundlagen zur Übertragung von Quanteninformation mittels photonischer Clusterzustände untersucht.
In der breiten Anwendung stehen der Umsetzung von Quantenkommunikation über Glasfasern bislang Übertragungsverluste entgegen. Die im Projekt QuaDiQua angestrebten Ergebnisse stellen einen wichtigen Meilenstein für künftige leistungsfähige Quantenkommunikationssysteme dar. Deren Anwendungen sind von großer gesellschaftlicher Relevanz, beispielsweise für die sichere Datenübertragung zwischen Rechenzentren von Banken und Versicherungen, zwischen verschiedenen Produktionsstandorten in der Industrie 4.0 oder für die sichere Kommunikation der öffentlichen Verwaltung.