Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Einzelne Photonen elektrisch erzeugt

10.08.2012
Mit Halbleiter-Nanostrukturen haben Physiker einzelne Photonen elektrisch erzeugt und über einen Quantenkanal übertragen. Sie werten den Einsatz dieser Einzelphotonenquellen als weiteren Fortschritt für eine breitere Anwendung in der abhörsicheren Datenkommunikation.
Für die Datenübertragung im Internet werden elektrische Computersignale in Lichtsignale umgewandelt und durch Glasfaserkabel zum Empfänger geleitet. Dort werden sie wieder in elektrische Signale umgewandelt. Diese Lichtsignale lassen sich an der Glasfaser anzapfen, so dass ein Unbefugter unbemerkt Daten abfangen kann. Das gelingt allerdings nicht unbemerkt, wenn einzelne Lichtteilchen, Photonen, für eine quantenkryptographische Verschlüsselung verwendet werden.

Bei dieser Art der Verschlüsselung ist in einer Folge aus Lichtteilchen jedes einzelne Photon individuell polarisiert – vertikal, horizontal oder diagonal. Die Art der Polarisierung lässt sich von einem Dritten im Allgemeinen nicht erfassen, ohne sie dadurch zu verändern. Sender und Empfänger würden es darum sofort merken, wenn ein Unbefugter ihren Datenverkehr „belauscht” und versucht, den ursprünglichen Zustand des Lichtteilchens nachzuahmen.

Laser als Einzelphotonenquellen haben Nachteile

Die derzeit verwendete quantenkryptographische Technik nutzt stark abgeschwächte Laser als Einzelphotonenquellen. Auch wenn dies schon erste Anwendungen gefunden hat, gibt es noch erhebliche Nachteile. „Bei abgeschwächtem Laserlicht werden einzelne Photonen zu völlig zufälligen Zeitpunkten freigesetzt, so dass manchmal auch mehrere Photonen zugleich losgeschickt werden“, erklärt Sven Höfling vom Physikalischen Institut der Universität Würzburg.

Das wiederum könnten Hacker nutzen, um unbemerkt Informationen aus dem Datenfluss zu ziehen. Deshalb müssen bei der Quantenkommunikation mit abgeschwächten Lasern komplexe Verfahren der Datenübertragung eingesetzt werden, um eine abhörsichere Kommunikation zu gewährleisten.

Eine ideale Einzelphotonenquelle dagegen setzt laut Höfling immer nur dann ein Photon frei, wenn sie angeregt wird, etwa durch einen elektrischen Impuls. Physikern der Universitäten Würzburg, München und Stuttgart ist nun der Einsatz einer solchen Einzelphotonenquelle in der Quantenkommunikation gelungen.
Publikation im New Journal of Physics

Ihre Ergebnisse präsentieren die Wissenschaftler im New Journal of Physics. Ausschlaggebend für den Erfolg war eine enge Kooperation der Arbeitsgruppen der Professoren Harald Weinfurter in München, Peter Michler in Stuttgart sowie Martin Kamp und Alfred Forchel in Würzburg.

Für ihre Einzelphotonenquellen haben die Forscher Nanostrukturen aus Halbleitermaterial in Mikroresonatoren integriert. Diese Quellen senden mit hoher Wahrscheinlichkeit bei jedem elektrischen Puls ein einzelnes Photon aus. Durch das Einprägen von Information in die Polarisation der Photonen lässt sich quantenkryptographisch ein Schlüssel erzeugen, wie die Forscher in ihren Laborexperimenten gezeigt haben.

Quantenkommunikation über längere Strecken

Natürlich ist den Wissenschaftlern klar, dass die Übertragung der Photonen nicht nur im Labor, sondern auch über weitaus längere Strecken gelingen muss. Erfolgreiche Arbeiten dazu haben sie in einem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projekt bereits durchgeführt. Dabei konnten sie in der Innenstadt von München eine abhörsichere Quantenkommunikation mit elektrisch betriebenen Einzelphotonenquellen über eine rund 500 Meter lange Freistrahlteststrecke über Dächer hinweg realisieren.

Die Wissenschaftler aus Würzburg, München und Stuttgart wollen aber noch sehr viel längere Übertragungsstrecken erreichen. Dazu erforschen sie in einem vom BMBF geförderten Verbund gemeinsam mit weiteren Forschungsgruppen derzeit Bausteine für so genannte Quantenrepeater. Diese stellen Analoga zu Signalverstärkern in der klassischen Kommunikationstechnik dar und sind essentiell für eine Quantenkommunikation mit großer Reichweite.

“Quantum key distribution using quantum dot single-photon emitting diodes in the red and near infrared spectral range”, Tobias Heindel et al, New Journal of Physics, 2 August 2012, doi:10.1088/1367-2630/14/8/083001

Kontakt

Dr. Sven Höfling, Physikalisches Institut der Universität Würzburg, T (0931) 31-83613, sven.hoefling@physik.uni-wuerzburg.de

Robert Emmerich | idw
Weitere Informationen:
http://www.uni-wuerzburg.de

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Heiß & kalt – Gegensätze ziehen sich an
25.04.2017 | Universität Wien

nachricht Astronomen-Team findet Himmelskörper mit „Schmauchspuren“
25.04.2017 | Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

58 europäische Industrie- und Forschungspartner aus 11 Ländern forschten unter der Leitung des VIRTUAL VEHICLE drei Jahre lang, um Europas führende Position im Bereich Embedded Systems und dem Internet of Things zu stärken. Die Ergebnisse von DEWI (Dependable Embedded Wireless Infrastructure) wurden heute in Graz präsentiert. Zu sehen war eine Fülle verschiedenster Anwendungen drahtloser Sensornetzwerke und drahtloser Kommunikation – von einer Forschungsrakete über Demonstratoren zur Gebäude-, Fahrzeug- oder Eisenbahntechnik bis hin zu einem voll vernetzten LKW.

Was vor wenigen Jahren noch nach Science-Fiction geklungen hätte, ist in seinem Ansatz bereits Wirklichkeit und wird in Zukunft selbstverständlicher Teil...

Im Focus: Weltweit einzigartiger Windkanal im Leipziger Wolkenlabor hat Betrieb aufgenommen

Am Leibniz-Institut für Troposphärenforschung (TROPOS) ist am Dienstag eine weltweit einzigartige Anlage in Betrieb genommen worden, mit der die Einflüsse von Turbulenzen auf Wolkenprozesse unter präzise einstellbaren Versuchsbedingungen untersucht werden können. Der neue Windkanal ist Teil des Leipziger Wolkenlabors, in dem seit 2006 verschiedenste Wolkenprozesse simuliert werden. Unter Laborbedingungen wurden z.B. das Entstehen und Gefrieren von Wolken nachgestellt. Wie stark Luftverwirbelungen diese Prozesse beeinflussen, konnte bisher noch nicht untersucht werden. Deshalb entstand in den letzten Jahren eine ergänzende Anlage für rund eine Million Euro.

Die von dieser Anlage zu erwarteten neuen Erkenntnisse sind wichtig für das Verständnis von Wetter und Klima, wie etwa die Bildung von Niederschlag und die...

Im Focus: Nanoskopie auf dem Chip: Mikroskopie in HD-Qualität

Neue Erfindung der Universitäten Bielefeld und Tromsø (Norwegen)

Physiker der Universität Bielefeld und der norwegischen Universität Tromsø haben einen Chip entwickelt, der super-auflösende Lichtmikroskopie, auch...

Im Focus: Löschbare Tinte für den 3-D-Druck

Im 3-D-Druckverfahren durch Direktes Laserschreiben können Mikrometer-große Strukturen mit genau definierten Eigenschaften geschrieben werden. Forscher des Karlsruher Institus für Technologie (KIT) haben ein Verfahren entwickelt, durch das sich die 3-D-Tinte für die Drucker wieder ‚wegwischen‘ lässt. Die bis zu hundert Nanometer kleinen Strukturen lassen sich dadurch wiederholt auflösen und neu schreiben - ein Nanometer entspricht einem millionstel Millimeter. Die Entwicklung eröffnet der 3-D-Fertigungstechnik vielfältige neue Anwendungen, zum Beispiel in der Biologie oder Materialentwicklung.

Beim Direkten Laserschreiben erzeugt ein computergesteuerter, fokussierter Laserstrahl in einem Fotolack wie ein Stift die Struktur. „Eine Tinte zu entwickeln,...

Im Focus: Leichtbau serientauglich machen

Immer mehr Autobauer setzen auf Karosserieteile aus kohlenstofffaserverstärktem Kunststoff (CFK). Dennoch müssen Fertigungs- und Reparaturkosten weiter gesenkt werden, um CFK kostengünstig nutzbar zu machen. Das Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH) hat daher zusammen mit der Volkswagen AG und fünf weiteren Partnern im Projekt HolQueSt 3D Laserprozesse zum automatisierten Besäumen, Bohren und Reparieren von dreidimensionalen Bauteilen entwickelt.

Automatisiert ablaufende Bearbeitungsprozesse sind die Grundlage, um CFK-Bauteile endgültig in die Serienproduktion zu bringen. Ausgerichtet an einem...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

123. Internistenkongress: Traumata, Sprachbarrieren, Infektionen und Bürokratie – Herausforderungen

27.04.2017 | Veranstaltungen

Jenaer Akustik-Tag: Belastende Geräusche minimieren - für den Schutz des Gehörs

27.04.2017 | Veranstaltungen

Ballungsräume Europas

26.04.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

VLC 200 GT von EMAG: Neue passgenaue Dreh-Schleif-Lösung für die Bearbeitung von Pkw-Getrieberädern

27.04.2017 | Maschinenbau

Induktive Lötprozesse von eldec: Schneller, präziser und sparsamer verlöten

27.04.2017 | Maschinenbau

Smart Wireless Solutions: EU-Großprojekt „DEWI“ liefert Innovationen für eine drahtlose Zukunft

27.04.2017 | Informationstechnologie