Wenn es jemals möglich ist, ein ultra-sicheres, superschnelles “Quanten-Internet” zu schaffen, dann sind dafür quantenverschränkte Photonen absolut notwendig – und Wissenschaftler haben gerade einen sehr nützlichen neuen Weg gefunden, sie zu erzeugen.
Quantenverschränkung ist ein Phänomen, bei dem zwei Teilchen (wie Photonen) unabhängig vom physikalischen Abstand zwischen ihnen miteinander verbunden sind. Wenn einem der Partikel etwas passiert, muss dem anderen etwas passieren.
Obwohl die Physiker immer noch nicht genau verstehen, wie Verschränkungen auftreten, eröffnet dieses Phänomen die Möglichkeit einer Kommunikation über große Entfernungen mit der Quantenleistung – wobei Verschiebungen von Partikeln an einem Ort zu Verschiebungen von verschränkten Partikeln über große Entfernungen führen.
Diese spezielle Studie legt nahe, dass quantenverschränkte Photonen als Quantenschlüsselverteilung (QKD) verwendet werden, eine Art Low-Level-Quanten-Internet, bei dem klassische Daten in Form von Einsen und Nullen durch die Quantenphysik eine zusätzliche Schicht an Privatsphäre und Sicherheit erhalten.
Bisher waren die für diese Verschlüsselungsverfahren verwendeten verschränkten Photonen auf den Wellenlängenbereich im nahen Infrarot von 700 bis 1550 nm beschränkt, wodurch sie für Interferenzen durch lichtabsorbierende Gase und Sonnenstrahlung anfällig sind.
Mit anderen Worten, die Datenverbindung funktioniert nur nachts: Nicht ideal für die Internetinfrastruktur der nächsten Generation.
Neue Forschungsergebnisse zeigen, wie verschränkte Photonen bei einer längeren Wellenlänge von 2,1 Mikrometern erzeugt und detektiert werden können, die vor solchen Interferenzen geschützt sind. Das Endergebnis ist ein viel zuverlässigerer und stabilerer Kommunikationskanal.
“Wir haben gezeigt, dass mit Polarisation verschränkte Photonenpaare mit unserem Ansatz erzeugt, gesteuert und detektiert werden können”, schreiben die Forscher in ihrem veröffentlichten Artikel.
“Diese Arbeit bietet eine neue Plattform für die Quantenoptik und ebnet den Weg für Technologieanwendungen für die Quantenerfassung und die quantensichere Kommunikation über große Entfernungen in diesem Wellenlängenmodus.”
Um dies zu erreichen, verwendeten die Forscher einen nichtlinearen Lithiumniobatkristall: Mit ultrakurzen Lichtimpulsen eines auf den Kristall gerichteten Lasers wurden verschränkte Photonenpaare erzeugt.
Das Quantum Internet verspricht, wenn wir herausfinden können, wie es erstellt werden soll, um ein Vielfaches leistungsfähiger, sicherer und privater zu sein als alles, was wir heute haben. Zum Beispiel würde jeder Hacking-Versuch die entsprechende Verbindung sofort trennen – ein gutes Sicherheitsnetz.
Wir sind noch weit davon entfernt, diesen Traum zu verwirklichen – aus der Ferne, in der Stabilität, in der Praktikabilität -, aber Innovationen wie diese bringen uns immer näher und verwandeln das Quantencomputing von der Hypothese in die Realität.
„Der nächste wichtige Schritt wird darin bestehen, dieses System zu miniaturisieren, indem es in integrierte photonische Geräte umgewandelt wird, sodass es für die Massenproduktion und für andere angewandte Szenarien geeignet ist“, sagt der Quantenphysiker Michael Kues von der Universität Hannover. Leibniz in Deutschland.
Die Studie wurde in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.
