Neuartige Lichtquellen für die abhörsichere Telekommunikation – Photonen auf Bestellung

Dazu zählen insbesondere die Entwicklung abhörsicherer Datennetze sowie Konzepte für das optische Quantencomputing. Mit modernen Herstellungsverfahren und experimentellen Untersuchungen tragen das 3. Physikalische Institut und das Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen der Universität Stuttgart maßgeblich zur Erforschung und Realisierung derartiger Lichtquellen bei. Das Bundesforschungsministerium fördert diese Arbeiten innerhalb eines Forschungsverbundes an der Universität Stuttgart mit 867.000 Euro für drei Jahre.

Solche neuartigen Lichtquellen – Fachleute bezeichnen diese als quantisierte Lichtzustände – erlauben Funktionen, die mit klassischen Lichtzuständen nicht möglich sind. So ermöglicht die Nachrichtenübertragung mit einzelnen Photonen eine abhörsichere Datenkommunikation. Der geheime Schlüssel einer Nachricht wird dabei beispielsweise über eine Polarisationskodierung der Photonen übertragen. Ein möglicher Lauschangriff scheitert an den Gesetzen der Quantenmechanik: Detektiert ein Spion die übertragenen Photonen, so wird seine Messung den unbekannten Photonenzustand in der Regel verändern. Durch die Verwendung so genannter nichtorthogonaler Zustände kann der Spion nicht den Zustand jedes Photons korrekt bestimmen, sondern nur einen zufälligen Anteil. Selbst wenn er ein Ersatzphoton für jedes ausspionierte Photon weiterschickt, das dem Resultat seiner Messung entsprechend präpariert wurde, verursacht dies beim Empfänger eine signifikant höhere Fehlerrate, aufgrund dieser ein Lauschangriff nachgewiesen werden kann. Ein erster Ansatz lässt vermuten, dass sich einzelne Photonen durch Abschwächen einer gepulsten Lichtquelle auf eine Zahl von einem Photon pro Puls realisieren lassen. Dies ist jedoch nicht möglich, da die Photonenemission klassischer Lichtquellen (Laser, Glühlampe) einer Gesetzmäßigkeit folgt, die auch bei kleinsten Lichtintensitäten die deterministische Erzeugung von einzelnen Photonen in einem Puls verhindert.

Zur Realisierung von Einzelphotonenquellen verwenden die Wissenschaftler vor allem so genannte Quantenemitter – etwa ein einzelnes angeregtes Atom, ein Molekül, ein Fehlstellenzentrum (eine Lücke im Kristallgitter in Verbindung mit Fremdatomen) oder ein Elektron-Loch Paar in einer Halbleiterstruktur. Diese können einzelne Photonen getrennt nacheinander emittieren. Eine gezielte Steuerung des Anregungsprozesses, beispielweise durch gepulste optische oder elektrische Anregung, gewährleistet, dass nur ein Photon innerhalb eines kurzen Zeitintervalls emittiert werden kann. Die zurzeit in den Forschungslaboratorien eingesetzten Einzelphotonenquellen werden den Anforderungen der Effizienz, Zuverlässigkeit und Definiertheit der Photonenemission in Bezug auf Wellenlänge, Zeitverhalten und Photonenstatistik nicht gerecht. Hinzu kommen die Komplexität, die Justageempfindlichkeit und die Größe des Aufbaus, die einen kommerziellen Einsatz solcher Quellen bisher verhindern.

Das Bundesministerium für Bildung und Forschung fördert diese Arbeiten mit dem Ziel, kompakte und kontrollierbare Einzelphotonenquellen auf Festkörperbasis zu entwickeln, innerhalb des Verbundforschungsprojekts EPHQUAM (Effiziente, kompakte und kontrollierbare Einzelphotonenquellen für die Quantenkommunikation). Beteiligt sind die Universitäten Stuttgart, die Ludwig-Maximilians-Universität München, die Universität des Saarlands, die Technische Universität Braunschweig, das Forschungszentrum Jülich und die Physikalisch-Technische Bundesanstalt in Braunschweig. Die Forscher sind zuversichtlich, dass die Entwicklung von effizienten und stabilen Quellen zur stürmischen Entwicklung der Quanteninformationswissenschaften beitragen wird.

Weitere Informationen bei Prof. Dr. Peter Michler, Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen, Universität Stuttgart, Tel. 0711/685-64660,

e-mail: peter.michler@ihfg.uni-stuttgart.de