Grundlagenforschung für eine sichere Datenübertragung

Kommunizieren, ohne dass einer mithört ist nicht nur aufgrund des großen Dauerlauschangriffs der NSA nachgefragt. Die Grundlagen für neueste Verschlüsselungstechnologien werden auch an der Universität Siegen geschaffen.

Gleich an zwei Großprojekten sind Quantenphysiker der Universität Siegen beteiligt: am vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt „Quantenrepeater mit Methoden der Quantenoptik“ und an einem Projekt zur präzisen Charakterisierung von verschränkten Quantenteilchen, das von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert wird.

Für beide Projekte zusammen beläuft sich die bewilligte Fördersumme auf rund 800 000 Euro. Grundlage für beide Forschungsprojekte an der Universität Siegen ist das von Prof. Dr. Christof Wunderlich und seinem Team entwickelte „MAGIC-Verfahren“ und im Falle des DFG-Projektes zusätzlich die Forschung am Lehrstuhl für Theoretische Quantenoptik von Prof. Dr. Otfried Gühne.

Signalverstärkung durch Quantenrepeater

Abhörsicher mit Hilfe der Quantenkryptographie kommunizieren, das funktioniert bereits, allerdings nur auf kurzem Wege. „Signale, die mit Quanten übertragen werden, können lange Strecken nur überwinden, wenn sie unterwegs erneuert werden“, sagt Prof. Dr. Christof Wunderlich. Ähnlich wie andere Kommunikationssignale müsse das Signal über „Repeater“ auf der Strecke gehalten werden.

Das Problem: Auf dem herkömmlichen Wege muss das Signal gemessen oder ausgelesen werden, um es zu verstärken. Das funktioniert bei der Quantenkryptographie nicht, da die Abhörsicherheit genau dadurch gewährleistet ist, dass das Signal durch eine Messung irreparabel verändert wird. Die Lösung für einen Quantenrepeater, der die Abhörsicherheit gewährleistet, sucht das Team des Lehrstuhls für Quantenoptik in den seltsamen Gesetzen der Quantenphysik, genauer: in den Eigenschaften von verschränkten Quantenteilchen. 

Hierbei werden kleinste Teilchen in einen Zustand gebracht, bei dem eine Korrelation – eine Wechselbeziehung – zwischen den beiden Teilchen besteht. Diese Verschränkung bleibt auch bei räumlicher Trennung der Teilchen erhalten. „Misst man nun bei einem der Teilchen eine bestimmte Eigenschaft, so ist die durch die Wechselbeziehung bestehende korrelierte Eigenschaft ohne Verzögerung bei dem anderen Teilchen anzutreffen“, erklärt Wunderlich das Prinzip.

Diese, von Albert Einstein als „Fernwirkung“ bezeichnete Eigenschaft, ist mit klassischen physikalischen Gesetzen nicht erklärbar und nur auf der Ebene der Quantenteilchen anzutreffen. Eine Lösung für einen Quantenrepeater, der ohne Messung des Signals auskommt, sieht Wunderlichs Team in der Verkettung von verschränkten Quantenteilchen. Die zurzeit erfolgreichsten Experimente zur Erzeugung verschränkter Teilchen werden mit gespeicherten Ionen – geladenen Teilchen – durchgeführt.

Mit MAGIC Ionen speichern

An der Uni Siegen werden die Ionen in einer Falle nach dem Verfahren „Magnetic Gradient Induced Coupling“ (MAGIC) gespeichert. „Unser Verfahren hat unter anderem den Vorteil, dass wir zur Verschränkung der Ionen Radiofrequenzstrahlung einsetzen und nicht wie bei anderen Ionen-Fallen Laserlicht“, erklärt Wunderlich. Laserlicht bringe verschiedene Probleme wie spontane Streuung und die Notwendigkeit von Kühlung mit sich. Beides bleibt bei MAGIC aus.

„Dank der engen Kooperation zwischen Experiment und der Theorie am Lehrstuhl für Theoretische Quantenoptik von Prof. Dr. Otfried Gühne, haben wir die beste Voraussetzung, um die Grundlagenforschung in der Quantenphysik und eine ihrer Anwendungen – die Quantenkryptographie – entscheidend voranzutreiben“, sagt Prof. Dr. Christof Wunderlich.

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