Quantenbotschaften folgen den Dächern Shanghais

D.Dank der großen Fortschritte in der Quantenkryptographie können Quantencodes jetzt mit Hilfe einzelner Lichtimpulse oder Photonen sicher über große Entfernungen übertragen werden. In solchen empfindlichen Experimenten werden häufig optische Fasern als Transmissionsmedium verwendet. Mit der Quantenmechanik codierte Nachrichten können auch direkt durch die Atmosphäre gesendet werden. Für solche Experimente im Freien bevorzugen Forscher es, nach dünn besiedelten Gebieten zu suchen, damit nur noch wenig Licht und ein wenig Luftturbulenzen die Übertragung nachts stören. Eine pulsierende Stadt stellt ein äußerst großes Hindernis für solche Unternehmungen dar. Chinesische Physiker haben jedoch in Shanghai gezeigt, dass es möglich ist, mit Hilfe von Lichtsignalen Quantenbotschaften frei durch die Atmosphäre innerhalb einer Millionenstadt zu übertragen.

Für ihr Feldversuch wählten Forscher unter der Leitung von Jian-Wei Pan von der Hefei-Universität zwei Gebäude aus, die etwa 20 Kilometer hoch sind, während die Krähe im Bezirk Pudong fliegt, auf deren Dächern jeweils eine mit Lasern und Detektoren ausgestattete Station gebaut wurde ( genannt „Alice“ und „Bob“). Als erstes musste ein gemeinsamer Quantenschlüssel generiert werden, mit dem Nachrichten verschlüsselt und dann erneut entschlüsselt werden konnten. Zu diesem Zweck sendete jede Station kurze Sequenzen von Lichtimpulsen durch die Luft zu einer gemeinsamen Empfangsstation, die einige Meilen entfernt war.

Dort wurden die Eingangsimpulse mit Radien und Spiegeln überlagert. Das charakteristische Interferenzsignal – der Quantencode – wurde dann an „Alice“ und „Bob“ gesendet. Die adaptive Optik kompensiert die Auswirkungen von Luftturbulenzen und sorgt für eine reibungslose Signalübertragung. Insbesondere in Großstädten sind die Luftturbulenzen hoch, beispielsweise aufgrund von Luftturbulenzen in städtischen Schluchten.

Jede Station, die jetzt denselben Quantenschlüssel besitzt, konnte nun ihre vertraulichen Nachrichten verschlüsseln und sie über Glasfaser oder direkt mit einem Laser durch die Atmosphäre an den Partner senden. Letzterer konnte die Nachricht entschlüsseln und lesen. Ein nicht autorisierter Lauscher, der versucht, den Quantenschlüssel zu erhalten, wird sofort entlarvt. Er würde selbst eine Messung durchführen, während er zuhörte, was die beiden Bodenstationen sofort bemerkten. In einem solchen Fall würden „Alice“ und „Bob“ sofort einen neuen Quantenschlüssel generieren und eine neue vertrauliche Nachricht senden.

Wie Pan und seine Kollegen in den Physical Review Letters schreiben, Der Prozess ist robust und daher zum Aufbau eines stabilen Quantenkommunikationsnetzwerks zwischen entfernten Teilnehmern geeignet. Ein Vorteil ist, dass einzelne Knoten auch unterschiedliche Lichtquellen verwenden können. Um sehr große Entfernungen zu überwinden, können Satelliten auch als Relaisstationen verwendet werden. Einige technische Verbesserungen sind jedoch noch erforderlich, bevor sie in der Praxis eingesetzt werden können. Insbesondere ist die Übertragungsrate des Sechs-Bit-Quantenschlüssels pro Sekunde derzeit sehr niedrig. Mindestens einige hundert Bits pro Sekunde wären wünschenswert.