Paderborner Wissenschaftler*innen veröffentlichen Ergebnisse in Fachmagazin
Mit der Entwicklung von Quantencomputern droht die klassische Kryptografie für die sichere Kommunikation obsolet zu werden. Die Quantenkryptografie hingegen nutzt die Gesetze der Quantenmechanik, um uneingeschränkte Sicherheit zu gewährleisten. Ein Beispiel ist die Quantenschlüsselverteilung, die es zwei Parteien ermöglicht, eine Nachricht durch einen zufälligen geheimen Schlüssel zu sichern. Dieser wird mithilfe von Quantenteilchen, in der Regel Photonen, erzeugt. Wissenschaftler*innen machen dafür zunehmend Gebrauch von einem Alphabet, das auf speziellen Eigenschaften der Lichtteilchen, also der Photonen, basiert, nämlich ihrer Farbkomposition. Bislang fehlte allerdings ein spezielles Gerät, um die Informationen wieder zu decodieren. Wissenschaftler*innen der Universität Paderborn haben so einen Decoder nun entwickelt. Ihre Ergebnisse haben sie im Fachjournal „PRX Quantum“ veröffentlicht.
„Protokolle der Quantenschlüsselverteilung, die binäre Codierungen verwenden, sind weit verbreitet. Dennoch können ihre Sicherheit und Effizienz verbessert werden, wenn ein größeres Alphabet zur Codierung verwendet wird. Hier kommen die sogenannten zeitlichen Pulsmoden zum Einsatz, bei denen die Informationen in der Farbzusammensetzung der Photonen codiert werden. Ein Schlüsselverteilungssystem, das auf diesen Moden basiert, erfordert einen mehrkanaligen Decoder, der in der Lage ist, alle Buchstaben eines Alphabets gleichzeitig zu ‚lesen‘. Dieses Gerät wurde jedoch bisher noch nicht realisiert“, erklärt Dr. Benjamin Brecht, Physiker an der Universität Paderborn.
Die Paderborner Wissenschaftler*innen haben ein sogenanntes Multi-Ausgangs-Quantenpuls-Gatter (mQPG) entwickelt. Es trennt die eingehenden Buchstaben in verschiedene Ausgangsfarben, die die Physiker*innen mit einem Spektrometer erkennen können. Außerdem haben sie einen vollständigen hochdimensionalen Decoder auf Basis des mQPG demonstriert, der Verschlüsselungsprotokolle auf der Grundlage einzelner Photonen ermöglicht. „Die Vielseitigkeit des mQPG macht es zu einer wertvollen Ressource für viele Anwendungen der Quantenkommunikation und eröffnet zusätzlich weitere Möglichkeiten für alle auf temporären Moden basierenden Technologien“, so Brecht.
Die Forschung wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im QuantERA-Projekt „QuICHE” gefördert, an dem die Universität Paderborn beteiligt ist.
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