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Quantenverschlüsselte Lichtteilchen wurden durch ein Unterseekabel geschickt © ÖAW/Klaus Pichler
Quantenverschlüsselte Lichtteilchen wurden durch ein Unterseekabel geschickt © ÖAW/Klaus Pichler

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Quantenverschlüsselung unter dem Meer realisiert

13.01.2020

Ein internationales Team rund um Forscher/innen der Österreichischen Akademie der Wissenschaften und der Universität Wien etablierte via Unterseekabel eine quantenverschlüsselte Verbindung zwischen Sizilien und Malta. Mit der dabei überbrückten Rekorddistanz von insgesamt 192 Kilometern gelang ein weiterer Schritt in der Entwicklung eines abhörsicheren Quanteninternets. Über ihr Experiment berichtet das Team nun im Fachjournal "Nature Quantum Information".

Das Quanteninternet der Zukunft soll eine vollkommen abhörsichere Kommunikation zwischen Nutzer/innen weltweit ermöglichen. Das Rennen um die dafür am besten geeignete Quantentechnologie ist derzeit in vollem Gange. Besonders große Fortschritte macht in diesem Wettlauf eine Technologie, an deren Entwicklung österreichische Forscher/innen federführend beteiligt sind: die quantenkryptographische Verschlüsselung von Information mithilfe verschränkter Lichtteilchen.

Quantenkommunikation zwischen Malta und Sizilien

Ein weiterer Durchbruch bei der Entwicklung dieser Technologie ist nun einem internationalen Team rund um Forscher/innen des Wiener Instituts für Quantenoptik und Quanteninformation der Österreichischen Akademie der Wissenschaften (ÖAW) und der Universität Wien gelungen: Sie etablierten über ein herkömmliches, unterseeisches Telekommunikationskabel mittels verschränkter Lichtteilchen eine quantenverschlüsselte Verbindung zwischen Sizilien und Malta, wie sie im Fachjournal "Nature Quantum Information" aktuell berichten.

Dabei erzeugten sie an der Kommunikationsstation an der Küste Maltas zunächst Paare von Lichtteilchen, die über ihre zufällige Schwingungsrichtung, der Polarisation, miteinander verschränkt wurden. Der auf diese Weise gewonnene Quantenschlüssel gilt als abhörsicher: Findet bei derartig verschlüsselter Informationsübertragung ein Abhörversuch statt, würde das den quantenphysikalischen Zustand der Lichtteilchen aufgrund physikalischer Gesetzmäßigkeiten umgehend ändern - und der "Hacker" sofort auffliegen.

Die Forscher/innen rund um Rupert Ursin detektierten in einem weiteren Schritt des Experiments nun den einen Teil des Lichtteilchen-Paares direkt an der Quelle in Malta. Der andere Teil wurde über ein Telekommunikationskabel am Meeresboden über 96 Kilometer bis an die Küste Siziliens, wo zwei Glasfasern zu einer Schleife verbunden waren, und wieder zurück geschickt, um schließlich ebenfalls detektiert zu werden.

Für die Methode, Quantenschlüssel mithilfe von polarisationsverschränkten Lichtteilchen über längere Distanzen auf der Erde einzusetzen, bedeutet die überbrückte Strecke von insgesamt 192 Kilometern eine neue Bestmarke. Bei dem Versuchsaufbau konnten darüber hinaus vier Bits pro Sekunde übermittelt werden.

Unerwartete Stabilität

Zugleich erbrachten die Forscher/innen mit dem Experiment auf dem Meeresboden einen Nachweis für die unerwartet hohe Stabilität der gewählten Methode und damit für das große Potenzial, das sie gerade in Verbindung mit herkömmlicher Telekommunikations-Infrastruktur für die Schaffung eines Quanteninternet der Zukunft birgt.

"Wir zeigen über einen Zeitraum von mehr als sechs Stunden, dass wir ohne weitere Stabilisierungen die Verbindung über die lange Distanz aufrecht erhalten können. Das zeigt, wie stabil die Umgebung ist, in der die Faser verlegt wurde", erklärt Erstautor Sören Wengerowsky zu den Ergebnissen des Experiments.

Rupert Ursin, Gruppenleiter am ÖAW-Institut, ergänzt zur Bedeutung des Experiments: "Diese Arbeiten könnten einen wichtigen Startpunkt für ein europäisches Quantennetzwerk darstellen. Ein solches Netzwerk wird nicht nur abhörsicher sein sondern es auch ermöglichen, die Potentiale der Digitalisierung voll auszuschöpfen."

Publikation

„Passively stable distribution of polarisation entanglement over 192 km of deployed optical fibre“, Sören Wengerowsky, Siddarth Koduru Joshi, Fabian Steinlechner, Julien R. Zichi, Bo Liu, Thomas Scheidl, Sergiy M. Dobrovolskiy, René van der Molen, Johannes W. N. Los, Val Zwiller, Marijn A. M. Versteegh, Alberto Mura, Davide Calonico, Massimo Inguscio, Anton Zeilinger, André Xuereb & Rupert Ursin, Nature Quantum Information 2019 (Open Access)
DOI: https://doi.org/10.1038/s41534-019-0238-8

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