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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.
Quantenquelle des Fraunhofer IOF. Entwickelt, um auch nach extremen Belastungen noch voll einsatzfäh ...
Fraunhofer IOF
None
Criteria of this press release:
Journalists
Electrical engineering, Information technology, Physics / astronomy
transregional, national
Miscellaneous scientific news/publications, Research projects
German
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