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Test für Quantenkryptografie : Quantencodes spuken über den Dächern von Schanghai

Schanghais Stadtbezirk Pudong, als großes Finanzzentrum bekannt, war Schauplatz für ein spektakuläres Quantenexperiment. Bild: AFP

Chinesische Forscher nehmen eine wichtige Hürde bei der Quantenkommunikation: Quantencodes lassen sich mit Lichtpulsen kilometerweit direkt durch die Luft übertragen – und das jetzt sogar innerhalb von Millionenstädten.

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          Dank großer Fortschritte in der Quantenkryptografie lassen sich Quantencodes mittlerweile über große Distanzen mit Hilfe von Lichtpulsen oder einzelnen Photonen sicher übermitteln. Als Übertragungsmedium nutzt man bei solchen empfindlichen Experimenten häufig Glasfasern. Quantenmechanisch verschlüsselte Botschaften können aber auch direkt durch die Atmosphäre verschickt werden. Für solche Freilandversuche suchen die Forscher bevorzugt dünn besiedelte Gebiete auf, damit nur wenig Restlicht und geringe Luftturbulenzen die nächtliche Übertragung stören. Eine pulsierende Großstadt stellt für solche Unternehmungen eine ungemein größere Hürde dar. Dass es aber möglich ist, Quantenbotschaften auch innerhalb einer Millionenstadt mit Hilfe von Lichtsignalen kilometerweit frei durch die Atmosphäre zu übermitteln, haben jetzt chinesische Physiker in Schanghai demonstriert.

          Manfred Lindinger

          Redakteur im Ressort „Natur und Wissenschaft“.

          Für ihren Freilandversuch wählten die Forscher um Jian-Wei Pan von der Universität Hefei zwei rund 20 Kilometer Luftlinie entfernte Hochhäuser im Bezirk Pudong, auf deren Dächern sie je eine mit Lasern und Detektoren ausgerüstete Station („Alice“ und „Bob“ genannt) errichteten. Zunächst galt es, einen gemeinsamen Quantenschlüssel zu erzeugen, der es erlaubte, Nachrichten zu chiffrieren und wieder zu entschlüsseln. Dazu schickte jede Station jeweils Sequenzen kurzer Lichtpulse durch die Luft zu einer gemeinsamen, mehrere Kilometer entfernten Empfangstation.

          Schematischer Aufbau des Quantenexperiments in Schanghai.
          Schematischer Aufbau des Quantenexperiments in Schanghai. : Bild: Yao Zheng/Micius Salon

          Dort wurden die ankommenden Pulse mit Strahlteilern und Spiegeln zur Überlagerung gebracht. Das charakteristische Interferenzsignal – der Quantencode – wurde dann sowohl an „Alice“, als auch an „Bob“ zurückgeschickt. Adaptive Optiken glichen den Einfluss der Luftturbulenzen aus und sorgten für die ungestörte Übertragung der Signale. Gerade in Großstädten ist die  Luftunruhe etwa durch Luftwirbel in den Häuserschluchten hoch.

          Jede Station, nun im Besitz des gleichen Quantenschlüssels, war fortan in der Lage, ihre vertraulichen Nachrichten zu verschlüsseln und per Glasfaser oder direkt mit einem Laser durch die Atmosphäre an den Partner zu schicken. Letzterer konnte die Botschaft entschlüsseln und lesen. Ein unbefugter Lauscher, der versuchte, an den Quantenschlüssel zu gelangen, würde sofort aufliegen. Durch sein Abhören würde er selbst eine Messung vornehmen, was die beiden Bodenstationen sogleich bemerkten. In solch einem Fall würden „Alice“ und „Bob“ sofort einen neuen Quantenschlüssel generieren und eine neue vertrauliche Nachricht abschicken.

          Wie Pan und seine Kollegen in den „Physical Review Letters“ schreiben, sei das Verfahren robust und deshalb gut dafür geeignet, ein stabiles Quantenkommunikations-Netzwerk zwischen weit entfernten Teilnehmern aufzubauen. Ein Vorteil sei, dass die einzelnen Knoten auch verschiedene Lichtquellen nutzen könnten. Um sehr große Distanzen zu überbrücken, könnten auch Satelliten als Relaistationen verwendet werden. Bis zur praktischen Anwendungen bedarf es jedoch noch einiger technischer Verbesserungen. Insbesondere ist die Übertragungsrate des Quantenschlüssels mit sechs Bits pro Sekunde derzeit noch zu gering. Wünschenswert wären mindestens einige hundert Bits pro Sekunde.

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