Laserstrahl ermöglicht Quantennetzwerk mit mehreren Kanälen

Shanghai (China) – Weder Hacker noch Spione können Daten, die mit Hilfe der Quantenkryptografie verschlüsselt werden, unbemerkt stehlen und auslesen. Ein wichtiger Schritt hin zu einem globalen und sicheren Quantennetzwerk gelang nun Physikern in China. Über eine Entfernung von rund 100 Kilometern teleportierten sie Lichtteilchen, sogenannte verschränkte Photonen. Getragen von einem Laserstrahl konnten diese Photonen über drei Stationen quer durch die Luft über dem Qinghai-See nahe der Stadt Lanzhou gesendet werden und blieben quantenmechanisch gekoppelt. Wie die Forscher in der Zeitschrift „Nature“ berichten, könnten auf der Basis dieser Versuche bald auch Quanteninformationen über sehr lange Entfernungen, etwa via Satellit ausgetauscht werden.

Bereits vor fünf Jahren war es Forschern gelungen, in einem ähnlichen Experiment, miteinander verschränkte Photonen über einen Laserstrahl zwischen den Kanareninseln Teneriffa und La Palma zu koppeln. Doch im Unterschied zu diesem damals 144 Kilometer langen Informationskanal konnten Jian-Wei Pan und seine Kollegen von der University of Science and Technology in Shanghai nun drei Empfangs- und Sendestationen über zwei getrennte Wege quer durch die Luft miteinander verknüpfen. Eine solche rudimentäre Vernetzung von Kanälen für Quanteninformation bildet die Grundlage für komplexere, erdumspannende Kommunikationssysteme, bei denen verschränkte Lichtteilchen auch über Satelliten geleitet werden könnten.

Erzeugt wurden die quantenmechanisch gekoppelten Photonen über die Wechselwirkung eines Lasers mit einem Bariumboratkristall. Dabei entstand ein Paar von Lichtteilchen mit eng verknüpften physikalischen Eigenschaften. So hing die Polarisation eines Photons direkt mit der Polarisation des anderen Lichtteilchens zusammen. Wurde der Zustand eines Photons gemessen, lag damit zugleich auch der Zustand des anderen, etwa 100 Kilometer entfernten Photons fest. Genau dieses Verhalten ermöglicht eine perfekte Absicherung gegen unerlaubten Zugriff auf digitale Daten. Denn wenn ein Unbefugter versuchen sollte, ein verschränktes Photon auszulesen, wird dieser Angriff über das andere gekoppelte Photon vom Sender unmittelbar erkannt. Ein Verschlüsselungscode, der über verschränkte Photonen gesendet wird, behält nur dann seine Gültigkeit, wenn kein unbefugter Zugriff erfolgte.

In früheren Versuchen hatten es Physiker außerdem geschafft, verschränkte Photonen über ein verzweigtes Netzwerk aus Glasfasern zu senden. Doch in diesen Systemen sind die Intensitätsverluste bisher zu groß, um weite Strecken ohne Verstärker zu ermöglichen. Diesen Nachteil für den Transport von Quanteninformation zeigen Laserkanäle durch die Luft dagegen nicht.