Onlinebanking, Bezahlen mit dem Smartphone per App an der Kasse im Supermarkt, Handy-Parken, jedes Mal, wenn wir einen derartigen Service nutzen, vertrauen wir darauf, dass unsere persönlichen Daten im WWW nicht von jemand abgegriffen werden, den sie nichts angehen. Die Verschlüsselungssysteme, die unsere persönlichen Informationen daor schützen sollen, basieren auf mathematischen Prinzipien. Das heißt aber auch, dass sie theoretisch durchaus geknackt werden können.

Wissenschaftler der Friedrich-Schiller-Universität Jena haben deshalb gemeinsam mit Kollegen der Technischen Universität Ilmenau und des Fraunhofer Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik in Jena Methoden entwickelt, die nicht auf mathematischen Prinzipien sondern auf physikalischen Grundsätzen basieren und daher weitaus sicherere Alternativen darstellen.

Informationsübertragung durch einzelne Photonen

Die herkömmliche Datenübertragung läuft mit Licht über Glasfaserkabel, indem für jedes Bit eine enorme Menge Photonen nötig ist, die gut detektiert und verstärkt werden können. „Gelänge es aber, die Informationen in einzelnen Photonen zu übermitteln, dann kommen die Quanteneigenschaften der Teilchen zum Tragen, die rein physikalische Verschlüsselungsmethoden ermöglichen“, sagt Dr. Falk Eilenberger von der Universität Jena, der an der Forschergruppe beteiligt ist. Sicherheitstechnisch wäre das eine enorme qualitative Verbesserung, da sich ein Photon nur genau einmal vermessen ließe und ist somit nur für genau einen Empfänger lesbar sei. „Ein Zugriff von außen wäre nicht möglich beziehungsweise bliebe nicht unentdeckt. Sogar der Betreiber der Infrastruktur kann keine Daten herausziehen. So wird Sicherheit messbar.“

Prototyp einer Einzelphotonenquelle in zweidimensionalem Bornitrid für Quantenkommunikations-Anwendungen unter Weltraum-Bedingungen. © Jürgen Scheere/FSU

Für eine derartige Kommunikation seien geeignete Einzelphotonenquellen nötig, die die notwendigen Photonen mit präzise definierten Eigenschaften produzieren, erklären die Wissenschaftler. Die physikalischen Prinzipien dafür sind zwar seit einigen Jahrzehnten bekannt und bewiesen, nun wollen sich die Forscher darauf konzentrieren, die Photonen zu entwickeln und zu verbessern.

Jahre bis zur Anwendung im Alltag

„Für Quantenkommunikation über sehr lange, interkontinentale Distanzen müssen die Lichtquellen auf Satelliten im All zum Einsatz kommen. Daher brauchen wir miniaturisierte Systeme, die auch unter extremen Bedingungen und nicht nur in einer sterilen Laborumgebung funktionieren“, sagt Eilenbergers Kollege Dr. Christian Helgert. „Optisch sind wir hierbei auf einem guten Weg – erste wenige Zentimeter große Einzelphotonenquellen, die auf 2D-Materialien basieren, haben wir bereits entwickelt.“ Nun liege der Fokus in erster Linie auf der elektronischen Integration solcher Systeme, um sie auch kosteneffizient gestalten zu können.

Die Wissenschaftler gehen davon aus, dass bis zur praktischen Anwendung der Quantenkommunikation im Alltag noch Jahre vergehen werden. Trotz der Fortschritte, die auf dem Gebiet gemacht werden. „ Dann aber könnten solche Systeme, die auf Einzelphotonen basieren, als sichere Alternative bei der Übertragung hochsensibler Daten zum Einsatz kommen“, betonen sie.

Das Projekt wird von Prof. Dr. Andreas Tünnermann von der Universität Jena geleitet und ist am Thüringer Innovationszentrum „InQuoSens“ angesiedelt. Dort entwickeln Forscher beider Thüringer Universitäten elektronische und nanophotonische Lösungen für Quantenlichtquellen, die für diese neue Art von Verschlüsselungssystemen nötig sind. Unterstützung bekommen die Forscher von der Thüringer Aufbaubank. Sie finanziert die Forschergruppe „Ultrabreitbandige Hochfrequenz-Ansteuerung fasergekoppelter Laserdioden für polarisations- und zeitstempel-kodierte Einzelphotonen in der Quantenkommunikation“ (FastPhoton) seit dem 1. Januar für die kommenden zweieinhalb Jahre mit insgesamt 650.000 Euro.