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Weniger Licht! Ein Schlüssel für die Quantenkryptografie

Teilchenweise: Licht als Strom einzelner Photonen
Teilchenweise: Licht als Strom einzelner Photonen

Die Ressource unserer Zeit ist die Information. Riesige Datenmengen werden gesammelt, in Computern verarbeitet und über Glasfaser, Luft oder Satellit ausgetauscht. Wir sind eingesponnen in nie abreißende Informationsflüsse, die kreuz und quer in Lichtgeschwindigkeit um den Globus jagen. Viele dieser Daten müssen auf sicherem Weg zwischen Sender und Empfänger ausgetauscht werden, denn nicht alles, was kommuniziert wird, darf und soll im Licht der Öffentlichkeit geschehen – angefangen bei Patientendaten in der Medizin über Finanzdaten bei der Kommunikation mit und zwischen Banken bis hin zu hochsensiblen Daten aus Politik und Wirtschaft. Für alle diese Datentransfers sind abhörsichere Kommunikationsformen nötig.

  • Quantenkommunikation und Quantenkryptografie: Um Daten sicher zu transportieren, werden sie verschlüsselt. Die heutzutage angewandten Verschlüsselungstechniken basieren auf mathematischen Algorithmen, in denen die Primzahlzerlegung großer Zahlen eine entscheidende Rolle spielt – für jeden Computer eine zeitintensive, aber im Prinzip lösbare Aufgabe, sodass sich Verschlüsselungstechnik und Abhörkriminalität ein permanentes Wettrennen liefern. Außerdem könnten gespeicherte sensible Daten später entschlüsselt werden, wenn leistungsfähigere Computer zu Verfügung stehen. Einen inhärent sicheren Datentransport, beispielsweise mit einzelnen Photonen, versprechen dagegen die Prinzipien der Quantenwelt. Mit einer Quantenverschlüsselung, die auf Naturgesetzen statt auf mathematischen Algorithmen basiert, ist es physikalisch unmöglich, unbemerkt „mitzuhören“.
  • Quantenradiometrie: Lichtsignale, bis hin zu einzelnen Photonen, spielen eine zentrale Rolle in vielen Feldern der Grundlagenforschung, von der Astronomie über Experimente zu den Grundlagen der Quantenphysik bis zu den Lebenswissenschaften. Weiterhin können die Basiseinheit Candela und die weiteren abgeleiteten Einheiten in der Photometrie und Radiometrie im Prinzip in Form einer bekannten Anzahl von Photonen mit bekannter Wellenlänge ausgedrückt werden.

Wer es nun mit Licht genau nehmen will, kommt unweigerlich zur PTB. Mit weltweit kleinsten Messunsicherheiten ist die PTB in der Lage selbst ultraschwache optische Signale zu erzeugen und zu detektieren. Für den Einsatz von Quantenkryptographie in der Praxis ist eine sorgfältige Vermessung aller Eigenschaften der zugrundeliegenden Hardware eine unabdingbare Voraussetzung, um tatsächlich die „quantensichere“ Eigenschaft garantieren zu können. Das Arbeitsspektrum reicht dabei von metrologischer Grundlagenforschung und Entwicklung bis hin zum Aufbau von speziellen Kalibrierdienstleistungen. Derzeit untersuchte Einzelphotonenquellen basieren etwa auf Gitter- Fehlstellen (z. B. Farbzentren in Diamanten) oder auf Halbleiterquantenpunkten aus Indium-Gallium-Arsenid.

Fachinformationen:Fachinformationen:

Zu den Emittern basierend auf Gitter-Fehlstellen zählen beispielweise Farbzentren in Diamanten und hexagonal Bornitrat (hBN). Mittels eines konfokalen Mikroskops wird die Mikro-Photolumineszenz-Spektroskopie von Gitter-Fehlstellen-Emittern bei Raumtemperatur durchgeführt.

Weltweit erstmalig wurde an der PTB eine Quelle basierend auf einer Stickstofffehlstelle im Nanodiamanten absolut charakterisiert hinsichtlich ihres spektralen Photonenflusses und spektralen Strahlungsflusses.

Opens external link in new windowArbeitsgruppe Einzelphotonenmetrologie im LENA

Opens external link in new windowArbeitsgruppe Laserradiometrie und Quantenradiometrie

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Die PTB charakterisiert im Rahmen europäischer Forschungsprojekte Einzelphotonenquellen auf Basis von InGaAs-Quantenpunkten. Hierfür steht ein Messplatz zur Verfügung, der mittels eines konfokalen Mikroskops die Mikro-Photolumineszenz-Spektroskopie von Quantenpunkten im nahen Infrarotbereich bei Temperaturen bis zu 4 K erlaubt.

Einzelphotonenquellen basierend auf Halbleiterquantenpunkten sind aus metrologischer Sicht besonders interessant u.a. wegen ihrer schmalbandigen Emission. Sie können in Kombination mit der Bestimmung des absoluten Photonenflusses zur Realisierung definierter Leistungen genutzt werden. Ziel ist die Entwicklung von absoluten Strahlungsnormalquellen, z.B. für die effiziente Kalibrierung von Einzelphotonendetektoren in der optischen Quantentechnologie, sowie für eine mögliche quantenbasierte Realisierung der SI-Basiseinheit Candela.

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Die PTB beschäftigt sich mit der Entwicklung hochpräziser Messverfahren für die Kalibrierung von halbleiterbasierten Einzelphotonendetektoren (Si- und InGaAs/InP-SPAD) hinsichtlich ihrer Detektionseffizienz. Hierfür steht u.a. ein Messplatz auf Basis des „Doppelabschwächer-Prinzips“ zur Verfügung. Darüber hinaus werden weitere für optische Quantentechnologien relevante Parameter der Detektoren metrologisch charakterisiert wie Totzeit, Dunkelzählrate und Nachpulse („after-pulsing“).

Ziel ist die Entwicklung eines Dienstleistungsangebots für die genaue und rückgeführte Kalibrierung von Einzelphotonendetektoren für optische Quantentechnologien.

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Supraleitende Detektoren wie Nanodraht-Widerstände („SNSPD“) und Phasenübergangs-Photoenergiemeter („TES“) eignen sich in besonderer Weise für Anwendungen in der optischen Quantenhochtechnologie. Grund dafür sind Detektionseffizienzen >85 % im Telekom-Bereich (1550 nm), Zählraten im MHz-Bereich bei extrem geringen Dunkelzählraten, sowie je nach Detektortyp totzeitfreie Messungen und die Messung der Anzahl bzw. Energie der detektierten Photonen.

Basierend auf einem magnetischen Kühlsystem (ADR-Kryostat), soll ein Messplatz für den Betrieb quantenoptischer Detektoren bei ultrakalten Temperaturen bis 50 mK aufgebaut werden. Ziele sind Charakterisierung und Vergleich supraleitender Detektoren, sowie die Charakterisierung der Photonenanzahlverteilung ultraschwacher Quellen.

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Die PTB beteiligt sich aktiv an der Entwicklung technischer Normen in der optischen Quantentechnologie, beispielsweise im Bereich Quantenkryptographie im Rahmen der Opens external link in new windowArbeitsgruppe ETSI GS QKD des Europäische Normungsinstituts für Telekommunikation (ETSI). Ein Schwerpunkt ist aktuell die Normenentwicklung mit Blick auf die Spezifikationen optischer Bauteile in Systemen zur Quantenschlüsselverteilung, sowie Messmethoden zu deren Charakterisierung. Aus metrologischer Sicht sind hierbei insbesondere die Rückführbarkeit der Messungen sowie die korrekte Betrachtung der Messunsicherheit von zentraler Bedeutung.

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