Satellitenkommunikation Neue Photonenquelle macht Kommunikation abhörsicher

| Redakteur: Jürgen Schreier

Verschränkte Photonen werden verwendet, um die Telekommunikation zwischen zwei Partnern gegen Abhörversuche zu schützen. Allerdings geht das Senden mit sicherer Ende-zu-Ende-Verschlüsselung bisher eigentlich nur nachts. Dieses Problem hat jetzt ein Wissenschaftlerteam gelöst.

Erzeugung von polarisationsverschränkten Photonenpaaren bei einer Wellenlänge von 2,1 Mikrometern
Erzeugung von polarisationsverschränkten Photonenpaaren bei einer Wellenlänge von 2,1 Mikrometern
(Bild: M. Kues / PQT )

Datenschützer werden ihn mögen, "Schlapphüte" nicht - den Hannoveraner Physiker Prof. Dr. Michael Kues. Ein internationales Team unter Beteiligung des Wissenschaftlers vom Exzellenzcluster PhoenixD der Leibniz Universität Hannover hat eine neue Methode zur Erzeugung quantenverschränkter Photonen in einem zuvor nicht zugänglichen Spektralbereich des Lichts entwickelt. Die Entdeckung kann die Verschlüsselung von satellitengestützter Kommunikation künftig viel sicherer machen.

Neue Technik nutzt Wellenlänge von 2,1 Mikrometern

Entwickelt wurde die neue Methode zur Erzeugung und zum Nachweis quantenverstärkter Photonen bei einer Wellenlänge von 2,1 Mikrometern von einem 15-köpfigen Forscherteam aus Großbritannien, Deutschland und Japan.

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.

Bisher war es technisch nur möglich, solche Verschlüsselungsmechanismen mit verschränkten Photonen im Nahinfrarot-Bereich von 700 bis 1550 Nanometern umzusetzen. Diese kürzeren Wellenlängen haben jedoch Nachteile - vor allem 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 eigentlich nur nachts, aber nicht an sonnigen und wolkigen Tagen gewährleistet werden.

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.

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.

Weitere Informationen

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. 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.

Verfahren wird massenproduktionstauglich gemacht

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 sein, dieses Verfahren zu miniaturisieren, indem es in photonische integrierte Systeme umgesetzt wird, um es massenproduktionstauglich zu machen und es künftig in anderen Anwendungsszenarien einzusetzen“, erläutert Kues.

Prof. Dr. Michael Kues ist Professor am Hannoverschen Zentrum für Optische Technologien (HOT) und Mitglied im Exzellenzcluster PhoenixD.
Prof. Dr. Michael Kues ist Professor am Hannoverschen Zentrum für Optische Technologien (HOT) und Mitglied im Exzellenzcluster PhoenixD.
(Bild: Sonja Smalian/PhoenixD )

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.

Vita Prof. Dr. Michael Kues

Nach Studium und Promotion im Fach Physik an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster arbeitete Dr Miachael 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.

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 46486608)