Abhörsicher kommunizieren mit verschränkten Photonen

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22.06.2017 09:30

Abhörsicher kommunizieren mit verschränkten Photonen

Janis Eitner Kommunikation
Fraunhofer-Gesellschaft

    Herkömmliche Verschlüsselung von Daten wird durch die rasant wachsende
    Rechenleistung von Computern immer unsicherer. Eine Lösung bietet die
    Kodierung mit verschränkten Lichtquanten. Fraunhofer-Forschende entwickeln
    eine Quantenquelle, die den Transport verschränkter Photonen von Satelliten
    aus ermöglicht und gehen damit einen wichtigen Schritt in Richtung abhörsichere
    Kommunikation. Neben der Quantenquelle stellen Forscherinnen und
    Forscher verschiedener Fraunhofer-Institute weitere spannende optoelektronische
    Exponate auf der Messe LASER World of Photonics vom 26. bis 29. Juni
    2017 in München vor (Halle A2, Stand 431 und Halle B3, Stand 327).

    Ob Informationen aus der Kommunikation zweier Banken, von Regierungsorganisationen
    oder privaten Personen: Verschlüsselung von Daten beruht heute meist auf mathematischen Verfahren. Das Problem ist, dass durch die wachsende Rechenleistung von Computern das Decodieren verschlüsselter Nachrichten immer einfacher wird – Entwicklungen wie der Quantencomputer könnten aktuelle Verschlüsselungsverfahren
    sogar ganz aushebeln, da hier deutlich effektivere Entschlüsselungs-Algorithmen zur
    Anwendung kommen können, als es mit herkömmlichen Rechnern möglich ist.

    Eine Lösung bietet die Verschlüsselung mithilfe eines physikalischen Prinzips, der
    sogenannten Quantenverschränkung: Dabei werden zunächst Zwillingsphotonen
    erzeugt, die bezüglich bestimmter Quantenzustände miteinander verschränkt und
    damit voneinander abhängig sind. Das heißt, wird beispielsweise die Polarisation des
    einen Photons gemessen, ist automatisch auch die des Zwillings bekannt. Das Besondere
    daran: Der Effekt funktioniert unabhängig von der Distanz der Photonen zueinander.
    Darauf aufbauend können Schlüssel erzeugt werden, denen Sender und Empfänger
    auf einen Blick ansehen können, ob Dritte versucht haben, sie zu manipulieren oder
    abzuhören. »Das zentrale Element dabei ist die Quantenquelle, in der die Photonen
    verschränkt werden«, erklärt Dr.-Ing. Erik Beckert vom Fraunhofer-Institut für Angewandte
    Optik und Feinmechanik IOF aus Jena. »In einer ausgeklügelten laseroptischen
    Baugruppe werden die verschränkten Lichtquanten erzeugt und dann über unterschiedliche Kanäle an die beiden Parteien geleitet, die ihre Kommunikation vor Mithörern schützen möchten.«

    Photonen aus dem All

    Doch wie kommen die verschränkten Photonen an ihren Bestimmungsort? Schickt man
    sie beispielsweise über eine Freistrahlstrecke durch die Luft oder durch eine Glasfaser,
    ist die Reichweite begrenzt, da die Turbulenzen der Atmosphäre beziehungsweise die
    Dämpfung der Glasfaser die Verschränkung stören. Die Lösung: Die Quantenquelle
    verteilt die verschränkten Photonen von einem Satelliten aus. Dadurch müssen die
    Photonen nur durch ein relativ kurzes Stück Atmosphäre reisen, bis sie bei ihrem
    Empfänger sind. Um jedoch eine Quantenquelle auf einem Satelliten zu platzieren,
    muss diese äußerst stabil sein. Denn sie muss sowohl den Belastungen eines Raketenstarts als auch den besonderen Bedingungen im Weltraum, zum Beispiel starken
    Temperaturschwankungen und Weltraumstrahlung, widerstehen.

    Forschende des Fraunhofer IOF haben ein Antwort gefunden und entwickeln eine
    Quantenquelle, die so stabil ist, dass die präzise Kalibrierung und die diffizilen Justierungen selbst durch die extremen Belastungen eines Raketenstarts oder die unwirtlichen Bedingungen im Weltall nicht gestört werden. »Unsere Quantenquelle ist ein
    Beispiel optomechanischer Ingenieurskunst«, sagt Beckert. »Lasersysteme zur Verschränkung und Verteilung von Photonen sind sehr empfindlich, was die Genauigkeit
    angeht. Schon kleinste Veränderungen in der Justierung machen das gesamte System
    unbrauchbar. Ein System muss daher so robust sein, dass seine volle Performance nicht
    einmal durch einen Raketenstart beeinträchtigt wird.«

    Fraunhofer auf der LASER World of Photonics

    Neben dem Engineering-Modell der Quantenquelle des Fraunhofer IOF zeigen auf der
    Messe LASER World of Photonics weitere neun Institute neuste Entwicklungen aus dem
    Bereich Optoelektronik. An zwei Ständen, in Halle A2, Stand 431 und Halle B3, Stand
    327 demonstrieren die Fraunhofer-Experten anhand zahlreicher Exponate ihre Technologiekompetenzen. Kern ihrer Aktivitäten sind Auftragsforschung und Entwicklung im weiten Feld der optischen Technologien. Das Spektrum reicht von Optikdesign und
    Laserquellenentwicklung über optische Messsysteme und optomechanische Präzisionssysteme bis hin zur Mikro- und Makrobearbeitung verschiedener Werkstoffe mit dem Laser. Das Angebot umfasst Verfahrens- und Systemlösungen sowie Machbarkeitsstudien und qualifizierte Beratung.


    Merkmale dieser Pressemitteilung:
    Journalisten
    Elektrotechnik, Informationstechnik, Physik / Astronomie
    überregional
    Buntes aus der Wissenschaft, Forschungsprojekte
    Deutsch


    Quantenquelle des Fraunhofer IOF. Entwickelt, um auch nach extremen Belastungen noch voll einsatzfähig zu sein.


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