Informationstechnik: Wenn Lichtmuster Informationen übertragen

Wie Licht verdreht wird: Wiener Forscher schaffen bei der Informationsübertragung per Licht einen zusätzlichen Kanal, indem sie den Wellen räumliche Muster einprägen. Das könnte es Geheimdiensten erschweren, mitzuhören.

Artikel veröffentlicht am , Matthias Matting
Die Informationstechnik nutzt Licht zur digitalen Übertragung von Daten.
Die Informationstechnik nutzt Licht zur digitalen Übertragung von Daten. (Bild: Joel Saget/AFP/Getty Images)

Die Informationstechnik nutzt Licht zur digitalen Übertragung von Daten. Lichtwellen haben gegenüber Elektronen viele Vorteile - zum einen natürlich ihre nicht zu übertreffende Geschwindigkeit, zum anderen sind sie aber auch weit weniger störanfällig als elektrische Ladungsträger.

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Dass sich Licht hervorragend zur Übertragung von Informationen eignet, haben schon unsere Urahnen entdeckt. Vor allem nachts kann das menschliche Auge Lichtquellen aus enormer Entfernung wahrnehmen. Leuchtfeuer warnten in der Antike vor feindlichen Angriffen. Leuchttürme sind trotz der Existenz von Radar, GPS und Satellitenfunk noch immer ein wichtiger Teil der See-Navigation.

Verdoppelung der Kapazität durch getrennte Modulierung

Die heutige Technik bleibt bewundernswert simpel: Selbst in den Glasfaserkabeln, die die ganze Welt verknüpfen, nutzt man im Grunde noch das alte An-Aus-Verfahren, oder besser gesagt: Informationen werden in der aktuellen Intensität des Strahls kodiert. Zusätzlich lässt sich, um die Übertragungskapazität zu steigern, mit unterschiedlichen Lichtfarben arbeiten (Wellenlängen-Multiplex) - das ist der aktuelle Stand der Technik.

Für den Kommunikationsbedarf der Zukunft ist aber wichtig, weitere Technologien zur Verfügung zu haben, die den Durchsatz einer Glasfaser-Leitung verbessern. Statt ein zweites Kabel zu legen, lassen sich etwa die beiden Polarisationsrichtungen des Lichtes getrennt voneinander modulieren - das verdoppelt die Kapazität. Noch interessanter ist das Orbital angular momentum, das sich ungefähr mit Raumwinkel-Impuls übersetzen lässt. Zu jeder bewegten Masse gehört ein Impuls, sagt die Physik. Das gilt auch für Photonen, deren Energie ein Massenäquivalent hat. Raumschiff-Antriebe über Solarsegel nutzen diesen Impuls des Sonnenwinds für die Fortbewegung. Normalerweise zeigt der Impuls in Richtung des Lichtstrahls. Gibt man ihm aber einen kleinen Drall in eine andere Richtung, dann verdreht sich der Strahl in sich selbst - was in Form eines optischen Musters zu beobachten ist. Dabei könnte man theoretisch auf beliebig viele verschiedene Raumwinkel setzen. Damit die Ergebnisse noch gut unterscheidbar sind, beschränken sich die Forscher aber auf acht oder 16. Wie stabil ist dieser Übertragungsmodus gegenüber Störungen? Das haben Wiener Physiker des IQOQI jetzt in der Praxis getestet.

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Ein offen zugängliches Paper im New Journal of Physics beschreibt, wie die Forscher dabei vorgegangen sind: Sie ließen von einem Teleskop in einer befreundeten Forschungseinrichtung einen derart modulierten Laserstrahl über eine Strecke von drei Kilometern an einen Empfänger in ihrem Institut schicken. Es zeigte sich, dass trotz atmosphärischer Störungen ein sauberer Empfang damit kodierter Informationen möglich ist.

Die Physiker hoffen, ihre Technik auch zur Quantenkommunikation einsetzen zu können. Trüge ein Photon nicht nur einen bestimmten Spin-Zustand als Information, sondern auch noch einen räumlichen Impuls, würde das die Abhörsicherheit weiter verbessern: Durch die höhere Informationsdichte hätte ein Spion in derselben Zeit weitaus mehr Messungen durchzuführen.

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