Schnellere Signalübertragung in der Quantenkommunikation

Forschende des Instituts für Physik und des Integrative Research Institute for the Sciences (IRIS) der Humboldt-Universität zu Berlin untersuchten in einer internationalen Studie, wie Quantenkommunikation über globale Distanzen realisiert werden kann

Die Quantenphysik wird mit ihren kontra-intuitiven Besonderheiten unsere Informationstechnologien revolutionieren.  Dabei ist Quantenkommunikation einfach ausgedrückt die Verteilung von Quantenbits (Qubits) zwischen zwei oder mehreren Parteien mit dem Ziel, eine wirklich sichere, nicht zu knackende Verbindung  herzustellen. Dies geschieht in der Regel mit einzelnen Photonen, die über Glasfaser übertragen werden. Jedoch sind Glasfasern verlustbehaftet, die Signalstärke nimmt mit wachsender Übertragungsdistanz exponentiell ab.

In der klassischen Kommunikationstechnik werden nach jeweils wenigen Dutzend Kilometern sogenannte Repeater installiert, um das abklingende Signal zu verstärken und so über größere Entfernungen übertragen zu können. In der Quantenphysik ist die Verstärkung - oder vielmehr das Klonen des Quantenzustands eines einzelnen Photons –nicht möglich. Deshalb müssen andere Strategien zur Erhöhung der Übertragungsreichweite gefunden werden. Eine Lösung für dieses Problem bietet nun das Konzept „Quanten-Repeater“. Es beruht ebenfalls darauf, dass die  Kommunikationsverbindung in kleinere Segmente unterteilt wird. Diese enthalten jeweils  einen Quantenspeicher, in dem die Qubits „aufbewahrt“ und zu einem späteren Zeitpunkt wieder ausgelesen werden können. Solche glasfaserbasierten Quanten-Repeater würden die Übertragungsreichweite tatsächlich deutlich erhöhen, globale Reichweiten in dieser Art zu realisieren erscheint jedoch nicht realistisch.

Wie lässt sich diese Limitierung aufheben? Einen Weg zeigt eine neue Arbeit unter Leitung von Forschenden der Humboldt-Universität zu Berlin  in Zusammenarbeit mit dem Einstein Center Digital Future (ECDF), der University of Strathclyde, dem Institut für optische Sensorsysteme des Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt und dem NASA Jet Propulsion Laboratory.  Die Idee besteht darin, alle Komponenten einer Quanten-Repeater-Verbindung, in Satelliten in der Erdumlaufbahn zu positionieren. Damit könnte eine tausendmal schnellere Signalübertragung des Quantenschlüssels erzielt werden als mit heute bestehenden Verfahren. Eine derartige globale Vernetzung würde nicht nur technologische Anwendungsbereiche wie sicheren Datenaustausch und die Verbindung geografisch weit voneinander entfernter Quantencomputer ermöglichen, sondern würde auch fundamentale Tests der Quantenmechanik über solche Distanzen ermöglichen.

Dr. Mustafa Gündoğan, der als Marie Curie Forschungsstipendiat in dem von Dr. Markus Krutzik geleiteten Joint Laboratory Integrated Quantum Sensors (IQS) für die Arbeiten im Bereich Quantenspeicher verantwortlich ist, sagt: „Wir bauen gegenwärtig mehrere Experimente zur Erforschung kompakter und robuster Quantenspeicher auf, die auf verschiedenen physikalischen Systemen wie ultrakalten oder warmen atomaren Gasen basieren. Unser Ziel ist es, atombasierte Technologien für den zukünftigen Einsatz von Quantenspeichern im Weltraum zu entwickeln.“

Das Projekt wird durch die EU, das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) mit Mitteln des Bundesministeriums für Wirtschaft und Energie (BMWi), und das INNOspace Masters Programm gefördert.

Publikation:
M. Gündoğan, J. Sidhu, V. Henderson, L. Mazzarella, J. Wolters, D.K.L. Oi und M. Krutzik, Proposal for space-borne quantum memories for global quantum networking, npj Quantum Information 7, 128 (2021)

Weitere Informationen:
https://innospace-masters.de/de/qumsec-quantenspeicher-fuer-sichere-kommunikation/
https://cordis.europa.eu/project/id/894590

Kontakt:

Dr. Mustafa Gündoğan
Humboldt-Universität zu Berlin
Institut für Physik, Joint Lab Integrated Quantum Sensors
Tel.: +49 (0)30 2093-4907
mustafa.guendogan(at)physik.hu-berlin.de

Dr. Markus Krutzik
Humboldt-Universität zu Berlin
Institut für Physik, Joint Lab Integrated Quantum Sensors
Tel.: +49 (0)30 2093-4814
markus.krutzik(at)physik.hu-berlin.de

Pressemitteilung der Humboldt-Universität zu Berlin vom 30.08.2021