Hochleistungssensoren gegen Spione

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Mithilfe dieser Sensoren gelang es den Wissenschaftlern, einen geheimen Schlüsse
Mithilfe dieser Sensoren gelang es den Wissenschaftlern, einen geheimen Schlüssel mit einer Geschwindigkeit von 64 Megabit pro Sekunde über 10 km Glasfaser zu generieren. M. Perrenoud - G. Resta / UNIGE

Ein Team der Universität Genf und von ID Quantique hat einzigartige Photonendetektoren entwickelt, die neue Perspektiven für die Quantenkryptographie eröffnen.

Wie kann man Datendiebstahl bekämpfen, der eine echte Herausforderung für die Gesellschaft darstellt? Die Quantenphysik hat die Lösung. Ihre Theorien ermöglichen es, Informationen (ein Qubit) in Lichtteilchen (ein Photon) zu verschlüsseln und diese in einem Glasfaserkabel auf hochsichere Weise zu transportieren. Der Einsatz dieser Telekommunikationstechnologie in großem Maßstab scheitert jedoch insbesondere an der Leistungsfähigkeit der verwendeten Einzelphotonensensoren. Einem Team der Universität Genf , zusammen mit dem Unternehmen ID Quantique , ist es nun gelungen, deren Geschwindigkeit um das Zwanzigfache zu erhöhen. Diese Innovation, die in der Fachzeitschrift Nature Photonics zu lesen ist, ermöglicht eine nie zuvor erreichte Leistung bei der Quantenverteilung von Schlüsseln.

Ein Zugticket kaufen, ein Taxi bestellen, sich ein Essen liefern lassen - all das sind Transaktionen, die täglich über mobile Anwendungen abgewickelt werden. Diese Apps basieren auf Zahlungssystemen, bei denen geheime Informationen zwischen dem Nutzer und seiner Bank ausgetauscht werden. Dazu generiert die Bank einen öffentlichen Schlüssel, den sie an den Kunden weitergibt, und einen privaten Schlüssel, den sie geheim hält. Mit dem öffentlichen Schlüssel kann der/die Nutzer/in die Information verändern, unleserlich machen und an die Bank senden. Mit dem privaten Schlüssel kann die Bank die Information entschlüsseln.

Dieses System wird nun durch die Rechenleistung von Quantencomputern bedroht. Die Quantenkryptografie - oder Quantenschlüssel­verteilung (QKD) - ist die beste Möglichkeit, um dieses Problem zu lösen. Sie ermöglicht es zwei Parteien, gemeinsame geheime Schlüssel zu erzeugen und diese mithilfe von Photonen über Glasfaserkabel auf ultrasichere Weise zu übertragen. Die Gesetze der Quantenmechanik besagen, dass eine Messung den Zustand des gemessenen Systems beeinflusst. Wenn also ein Spion versucht, die Photonen zu messen, um den Schlüssel zu stehlen, wird die Information sofort verändert und die Abhörung aufgedeckt.

Aktuelle Limits

Die Anwendung dieses Systems wird insbesondere durch die Geschwindigkeit der Detektoren für einzelne Photonen, die zum Empfang der Informationen verwendet werden, eingeschränkt. Nach jeder Detektion müssen sie sich etwa 30 Nanosekunden lang erholen, was den Durchsatz der geheimen Schlüssel auf etwa 10 Megabits pro Sekunde begrenzt. Einem Team der Universität Genf unter der Leitung von Hugo Zbinden, außerordentlicher Professor am Departement für angewandte Physik der wissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf, ist es gelungen, diese Grenze zu verschieben, indem es einen Detektor mit besserer Leistung entwickelt hat. Diese Arbeiten wurden in Zusammenarbeit mit dem Team von Felix Bussières von der Firma ID Quantique , einem Spin-off der Universität, durchgeführt.

Die derzeit schnellsten Detektoren für diese Anwendung sind supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren’, erklärt Fadri Grünenfelder, ehemaliger Doktorand am Departement für angewandte Physik der naturwissenschaftlichen Fakultät der Universität Genf und Erstautor der Studie. ’Diese Geräte enthalten einen winzigen supraleitenden Draht, der auf -272°C abgekühlt ist. Wenn ein einzelnes Photon auf ihn trifft, erwärmt er sich, hört für kurze Zeit auf, supraleitend zu sein, und erzeugt ein nachweisbares elektrisches Signal. Wenn der Draht wieder kalt wird, kann ein weiteres Photon detektiert werden’.

Rekordleistungen

Indem sie nicht nur einen, sondern vierzehn Nanodrähte in ihre Sensoren einbauten, gelang es den Forschern, rekordverdächtige Erkennungsraten zu erzielen. Unsere Detektoren können zwanzigmal schneller zählen als ein Gerät mit einem einzigen Draht", erklärt Hugo Zbinden. Wenn zwei Photonen in kurzer Zeit in den neuen Detektoren ankommen, können sie verschiedene Drähte berühren und beide erfasst werden, während dies bei einem einzelnen Draht nicht möglich ist. Die verwendeten Nanodrähte sind ebenfalls kürzer, was die Erholungszeit verkürzt.

Mithilfe dieser Sensoren gelang es den Wissenschaftlern, einen geheimen Schlüssel mit einer Geschwindigkeit von 64 Megabit pro Sekunde über 10 km Glasfaserkabel zu erzeugen. Diese Geschwindigkeit ist hoch genug, um zum Beispiel eine Videokonferenz mit mehreren Teilnehmern zu sichern. Das ist fünfmal mehr als die Leistung der aktuellen Technologie über diese Distanz. Außerdem sind die neuen Detektoren nicht komplizierter herzustellen als die derzeit auf dem Markt erhältlichen Geräte.

Diese Ergebnisse eröffnen neue Perspektiven für die ultrasichere Datenübertragung, die für Banken, Gesundheitssysteme, aber auch für Regierungen und das Militär von entscheidender Bedeutung ist. Darüber hinaus können sie in vielen anderen Bereichen angewendet werden, in denen die Lichterkennung ein Schlüsselelement ist, wie z. B. in der Astronomie und der medizinischen Bildgebung.