Hannoveraner Physiker entwickelt neue Photonenquelle für abhörsichere Kommunikation

Ein 15-köpfiges Forscherteam aus Großbritannien, Deutschland und Japan hat eine neue Methode zur Erzeugung und zum Nachweis quantenverstärkter Photonen bei einer Wellenlänge von 2,1 Mikrometern entwickelt. In der Praxis kommen verschränkte Photonen bei Verschlüsselungsverfahren wie dem Quantenschlüsselaustausch zur Anwendung, um die Telekommunikation zwischen zwei Partnern gegen Abhörversuche vollkommen zu sichern. Die Forschungsergebnisse werden erstmals in der aktuellen Ausgabe von „Science Advances“ der Öffentlichkeit vorgestellt.

Bislang war es technisch nur möglich, solche Verschlüsselungsmechanismen mit verschränkten Photonen im Nahinfrarot-Bereich von 700 bis 1550 Nanometern umzusetzen. Diese kürzeren Wellenlängen bringen jedoch Nachteile gerade in der satellitengestützten Kommunikation: Sie werden durch Licht absorbierende Gase in der Atmosphäre sowie die Hintergrundstrahlung der Sonne gestört. Eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung der übertragenen Daten kann mit der bisherigen Technologie somit überwiegend nur nachts, aber nicht an sonnigen und wolkigen Tagen gewährleistet werden.

Dieses Problem will das internationale Team, geleitet von Dr. Matteo Clerici von der Universität Glasgow, mit seiner Neuentdeckung künftig lösen. Denn die bei zwei Mikrometern verschränkten Photonenpaare würden deutlich weniger durch Sonnenstrahlung beeinflusst werden, sagt Prof. Dr. Michael Kues vom Exzellenzcluster PhoenixD der Leibniz Universität Hannover. Zudem existieren in der Erdatmosphäre gerade für Wellenlängen von zwei Mikrometern sogenannte Transmissionsfenster, sodass die Photonen von den atmosphärischen Gasen nicht so stark absorbiert werden und eine effektivere Kommunikation stattfinden kann.

Für ihr Experiment nutzten die Forschenden einen nichtlinearen Kristall aus Lithiumniobat. Sie sandten ultrakurze Lichtpulse eines Lasers durch den Kristall und erzeugten so die verschränkten Photonenpaare mit der neuen Wellenlänge von 2,1 Mikrometern. Die im Fachjournal „Science Advances“ veröffentlichten Forschungsergebnisse beschreiben die Details des experimentellen Systems und die Verifikation der verschränkten Photonenpaare. „Der nächste entscheidende Schritt wird es sein, dieses Verfahren zu miniaturisieren, indem es in photonische integrierte Systeme umgesetzt wird, um es massenproduktionstauglich zu machen und es künftig in anderen Anwendungszenarien einzusetzen“, sagt Kues.

Nach Studium und Promotion im Fach Physik an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster arbeitete Kues am Institut National de la Recherche Scientifique – Centre Énergie Matériaux et Télécommunications (Kanada). Dort leitete er vier Jahre lang die Arbeitsgruppe „Nonlinear integrated quantum optics“. Danach wechselte er an die University of Glasgow und schloss sich dem internationalen Team um Dr. Matteo Clerici an. Seit Frühjahr 2019 ist Kues Professor am Hannoverschen Zentrum für Optische Technologien (HOT) der Leibniz Universität Hannover und erforscht im Exzellenzcluster PhoenixD die Entwicklung von photonischen Quantentechnologien mittels der Mikro- und Nanophotonik. Kues möchte sein fünfköpfiges Forschungsteam vergrößern und hat aktuell zwei Positionen für wissenschaftliche Mitarbeitende (Promotionsstellen) ausgeschrieben (www.phoenixd.uni-hannover.de).

Der Exzellenzcluster PhoenixD

Der Exzellenzcluster PhoenixD der Leibniz Universität Hannover wird in den Jahren 2019 bis 2025 mit rund 52 Millionen Euro vom Bund und dem Land Niedersachsen über die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Kooperationseinrichtungen des Clusters sind die Technische Universität Braunschweig, das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut), die Physikalisch-Technische Bundesanstalt und das Laser Zentrum Hannover e.V. Mehr als 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Fachdisziplinen Physik, Maschinenbau, Elektrotechnik, Chemie, Informatik und Mathematik forschen dort fachübergreifend. Der Cluster lotet die Möglichkeiten aus, die sich durch die Digitalisierung für neuartige optische Systeme sowie ihre Fertigung und Anwendung ergeben.

Am 20. Oktober 2020 veranstaltet der Cluster den PhoenixD Laser Day in der Leibniz Universität Hannover. Auf der eintägigen Konferenz werden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fachgebiets Optik und Photonik aus den USA, Australien, Europa und Deutschland ihre Forschungsergebnisse vorstellen.

Mehr Informationen: www.phoenixd.uni-hannover.de

Für weitere Informationen steht Ihnen Prof. Dr. Michael Kues, Professor am Hannoverschen Zentrum für Optische Technologien (HOT) und Mitglied im Exzellenzcluster PhoenixD, unter Telefon +49 511 762 17903 oder per E-Mail unter michael.kues@hot.uni-hannover.de gern zur Verfügung.

S. Prabhakar, T. Shields, A. C. Dada, M. Ebrahim, G. G. Taylor, D. Morozov, K. Erotokritou, S. Miki, M. Yabuno, H. Terai, C. Gawith, M. Kues, L. Caspani, R. H. Hadfield, M. Clerici
Two-photon quantum interference and entanglement at 2.1 micrometer
Science Advances 6, eaay5195 (2020)
https://doi.org/10.1126/sciadv.aay5195