Neuartige Lichtquellen für abhörsichere Telekommunikation   >>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>

Photonen auf Bestellung

Lichtquellen, die nur ein Photon innerhalb eines kurzen Zeitintervalls emittieren – Fachleute bezeichnen diese als quantisierte Lichtzustände – erlauben Funktionen, die mit klassischen Lichtzuständen nicht möglich sind. Dazu zählen insbesondere abhörsichere Datennetze sowie Konzepte für das optische Quantencomputing. Im Rahmen des Verbundforschungsprojekts „Ephquam“ (Effiziente, kompakte und kontrollierbare Einzelphotonenquellen für die Quantenkommunikation) sollen derartige Lichtquellen genauer erforscht werden. Mit modernen Herstellungsverfahren und experimentellen Untersuchungen tragen das 3. Physikalische Institut und das Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen der Uni maßgeblich dazu bei.

Bei der Nachrichtenübertragung mit einzelnen Photonen wird der geheime Schlüssel einer Nachricht beispielsweise über eine Polarisationskodierung der Photonen übertragen. Ein möglicher Lauschangriff scheitert dann 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.

		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. Für einen effizienten Einsatz ist es entscheidend, den Anregungsprozess so zu steuern, dass nur ein Photon innerhalb eines kurzen Zeitintervalls emittiert werden kann. Außerdem muss die Emissionswellenlänge so gewählt werden, dass bei der Übertragung möglichst geringe Verluste entstehen. Nur so ist gewährleistet, dass das Photon genau zum gewünschten Zeitpunkt beim Signalempfänger eintrifft. Die derzeit in den Forschungslaboren eingesetzten Einzelphotonenquellen werden diesen Anforderungen jedoch noch nicht gerecht. Dazu kommt, dass der Versuchsaufbau groß, komplex und diffizil zu justieren ist, was einen kommerziellen Einsatz solcher Quellen bisher verhindert. Der neue Forschungsverbund ist ein wichtiger Schritt, um diese Probleme zu lösen und effiziente, stabile Einzelphotonenquellen zu entwickeln. Dies dürfte einen stürmischen Aufschwung der Quanteninformationswissenschaften nach sich ziehen.                                                     uk
Bei einer Wellenlänge von etwa 670 Nanometer lässt sich die Lichtemission der Quantenpunkte als rotes Leuchten beobachten. Oben rechts: Verringert man die angelegte Spannung, leuchtet nur ein einzelner Quantenpunkt.                                (Foto: Institut)

KONTAKT
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Prof. Peter Michler
Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen
Tel. 0711/685-64660
e-mail: peter.michler@ihfg.uni-stuttgart.de