Quantenkryptographie: Einzel-Photon-Übertragung geglückt
Die zum Einsatz kommenden neuen Techniken sollen Quanten-verschlüsselte Datenübertragung um den Faktor 400 beschleunigen und zudem im Vergleich zum Laser-Einsatz auch sicherer machen können. Quantenkryptographie soll ein Abhören von einzelnen Photonen nahezu unmöglich machen – denn durch das Abhören einzelner Photonen (nicht weiter aufspaltbare Lichtpartikel) würden diese verändert und somit die Datenübertragung gestört.
Problematisch war es bisher nur, einzelne Photonen zuverlässig zu erzeugen – bei Lasertechnik besteht die Gefahr, dass statt einem zwei oder mehrere Photonen pro einzelnem Puls entstehen und die Möglichkeit zum Abhören gegeben ist. Die einfache Reduktion der Laser-Intensität könne dies zwar begrenzen, doch gleichzeitig langsame und somit unpraktische Übertragungsgeschwindigkeiten von einigen hundert Bits pro Sekunde (bps) mit sich bringen. Bisherige Alternativen zum Laser hätten laut den beiden Forschungspartnern das Problem, nicht die bei Glasfaserübertragung üblichen Wellenlängen (1,3 – 1,55 Mikrometer) erzeugen zu können.
Aus diesem Grunde haben sich die Uni Tokio und Fujitsu auf die Entwicklung eines Halbleiter-Chips konzentriert, der einzelne Photonen effizient in als "Quantum Dots" bezeichneten Nanometer-großen Strukturen erzeugen kann. Dazu musste nach optischer Simulation und Entwicklung der Quantum Dots auch eine Chip-Fertigungstechnik entwickelt werden, welche die genau strukturierten Quantum Dots nicht zerstört. Der Halbleiter-Chip generiert Licht, das durch einen Einzel-Photon-Transmitter gesammelt und lediglich durch die Quantum Dots an Glasfaserkabel abgegeben wird.
Den passenden Empfänger haben die Forscher um Dr. Yoshiki Sakumas Forschungsgruppe vom National Institute for Materials Science of Japan (NIMS) am Research Center for Advanced Science and Technology der Uni Tokio sowie Fujitsu Laboratories ebenfalls schon entwickelt. Mittels dieses speziellen Empfängers soll sich beweisen lassen, dass wirklich nur ein Photon gesendet wurde.
Anstatt lediglich einige 100 bps zu erreichen, soll die Quantum-Dot-basierte Technik es auf Übertragungsgeschwindigkeiten von 100 kbps (Kilobits pro Sekunde) über eine geschätzte Reichweite von etwa 100 Kilometern schaffen und somit 400mal schneller sein als konventionelle Laser-basierte Quantenkryptographie. "Dies hebt das Potenzial für die praktische Anwendung von Quanten-verschlüsselter Übertragungstechnik für den Einsatz etwa von Regierungen, im Finanzwesen und medizinischen Bereich, wo hochstufige Datensicherheit benötigt wird, dramatisch an" , zeigen sich die Forscher überzeugt.
Details der zum Einsatz kommenden neuen Techniken sollen auf der am 26. Juli 2004 startenden "27th International Conference on the Physics of Semiconductors" (ICPS-27) in Arizona, USA vorgestellt werden. Finanziell unterstützt wurde das Projekt durch das "Nano-Photonic and Electron Devices Technology Project" der japanischen Regierung. Die Universität Tokio und Fujitsu Laboratories Ltd. haben bereits angekündigt, mehr Geld und Zeit in die Entwicklung zu stecken, um die Einzel-Photon-Übertragung bei 1,55 Mikrometern Wellenlänge zu verifizieren, die Einzel-Photon-Extraktion effizienter zu machen und über marktreife Einzel-Photon-Generatoren schätzungsweise ab 2007 zu verfügen.