Ein internationales Forschungsteam, bestehend aus Wissenschaftlern der Universitäten Rostock, Southern California, Central Florida, Pennsylvania State und Saint Louis, hat einen wegweisenden Fortschritt in der Quantenphotonik erzielt. Die Entdeckung wurde am 28. März 2025 in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht und bietet einen neuen Ansatz, um optische Verschränkung zu schützen. Diese Arbeit hat das Potenzial, die Entwicklung fortschrittlicher Quantentechnologien maßgeblich voranzutreiben, was angesichts der von den Vereinten Nationen ausgerufenen Internationalen Jahre der Quantenwissenschaft und -technologie von großer Bedeutung ist [uni-rostock.de] berichtet, dass …
Die Quantenmechanik revolutioniert unser Verständnis der Natur auf kleinster Skala und ist die Grundlage für moderne Technologien, einschließlich Quantencomputern, die schneller rechnen können als klassische Computer. Die Verschränkung ist dabei zentral, da sie nicht nur für Berechnungen essenziell ist, sondern auch die sichere Übertragung kryptographischer Schlüssel ermöglicht und die Empfindlichkeit von Sensoren erhöht. Allerdings ist diese Verschränkung flüchtig und kann leicht durch Dekohärenz, wie thermisches Rauschen, verloren gehen.
Neuer Verschränkungsfilter
Das Forschungsteam hat unter der Leitung von Prof. Alexander Szameit die Herausforderungen der Erhaltung von Verschränkung in photonischen Schaltkreisen überwunden. Ihre Methode nutzt so genannte „Drähte für Licht“, die es Photonen ermöglichen, zwischen benachbarten Kanälen zu „springen“. Diese Technik nutzt eine gezielte Abstimmung der Kopplung entsprechend der Anti-Paritäts-Zeit-Symmetrie, um unverschränkte Anteile aus dem System zu entfernen. Der neu entwickelte Verschränkungsfilter erreicht eine nahezu ideale Präzision sowohl bei Einzel- als auch bei Zwei-Photonen-Anregungen und ist robust gegenüber Dekohärenz.
Darüber hinaus wurde betont, dass diese Erkenntnisse nicht nur für die akademische Forschung, sondern auch für die praktische Anwendung in der Quantenkommunikation von großer Bedeutung sind. Quantenkommunikation ermöglicht einen abhörsicheren Austausch von Schlüsseln zur Kodierung sicherheitsrelevanter Informationen, basierend auf physikalischen Prinzipien wie Quantenverschränkung und dem Superpositionsprinzip. Im Gegensatz zu algorithmischen Kryptographieverfahren könnte dieses System in Hochsicherheitsnetzen Anwendung finden [fraunhofer.de] berichtet, dass …
Technologischer Fortschritt in der Quantenkommunikation
Die Fraunhofer Institute arbeiten in der QuNET-Initiative an der Entwicklung von Quantenkommunikationssystemen und optischen Linktechnologien. Das Ziel besteht darin, die Grundlagen für sichere Verbindungen zwischen unterschiedlichen Wellenlängenbändern und Übertragungsmedien zu schaffen. Elementare Bausteine dieser Systeme umfassen präzisionsoptische Spiegelteleskope, Polarisationsverschränkte Photonenpaarquellen und hochauflösende Detektionssysteme. Diese Komponenten ermöglichen nicht nur die Übertragung von polarisationskodierten Quantenzuständen, sondern garantieren auch hohe Schlüsselaustauschraten.
Die Sicherheit basiert auf dem bewährten BBM92-Protokoll für polarisationsverschränkte Photonen, das absolute Sicherheit bei der Kommunikation verspricht. Quantenkryptographie, wie sie im BB84-Protokoll verankert ist, erlaubt es, Informationen mit einem hohen Sicherheitsniveau zu übertragen, das gegen künftige Quantencomputer resistent ist [das-wissen.de] berichtet, dass …
Zusätzlich wird die Notwendigkeit von Quantenrepeatern hervorgehoben, um die Übertragungsdistanzen zu erweitern, da Quanteninformation über große Distanzen degradiert. Diese technischen Herausforderungen und Limitationen verdeutlichen die Dynamik des Forschungsgebiets und die Notwendigkeit weiterer Investitionen in Grundlagenforschung und die Entwicklung standardisierter Quantenverschlüsselungsprotokolle.
Insgesamt zeigt die jüngste Forschungsarbeit ein großes Potenzial der Quantenkommunikation, nicht nur in Bezug auf unknackbare Sicherheit und globale Reichweite, sondern auch auf schnellere Informationsübertragung im digitalen Zeitalter.
