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Report | Quantenkryptografie
gelten, der noch immer die
Schlüsselrate einschränkt.
Wie Gerald Buller von der
Heriot Watt University in Edinburgh
ausführt, werden bei den
Glasfasersystemen üblicherweise
Einzelphotonen-Lawinendioden
(single-photon avalanche
diodes, kurz SPADs) auf InGaAs/
InP-Basis eingesetzt, deren Performance
vor allem durch zwei
Effekte beeinträchtigt ist. Beim
Dunkelrauschen löst beispielsweise
die Wärmestrahlung aus
der Umgebung ein falsches Signal
aus, ein Problem, mit dem
auch Digitalfotografen zu kämpfen
haben. Bei dem zweiten Effekt
namens Afterpulsing folgen
einem Detektionspuls weitere
Störpulse zu unvorhersagbaren
Zeiten. Immerhin seien in letzter
Zeit Wege gefunden worden,
durch modifizierten Betrieb der
Detektoren das Afterpulsing
deutlich zu reduzieren und
damit die Zählraten auf über
1 MBit/s zu steigern – allerdings
seien diese Detektoren wegen
fehlender Kompatibilität nicht in
Wien eingesetzt worden.
Viel erhofft man sich auch von
SPADs auf der Basis von Silizium,
die von vornherein schneller sind
als die InGaAs/InP-SPADs. Sie detektieren
aber nicht bei den in
der Telekommunikation üblichen
Wellenlängen, weshalb eine Wellenlängen-Konversion
mittels
nichtlinearer Kristalle nötig ist. Da
hapert es noch mit der Konversionseffizienz,
doch Spitzenwerte
von Genfer Forschern erreichen
inzwischen immerhin 12 Prozent.
Als bislang beste Detektoren
gelten solche auf Basis supraleitender
Nanodrähte. Sie treiben
allerdings die Kosten in die Höhe,
da sie mit flüssigem Helium gekühlt
werden müssen; zudem
wäre eine Steigerung der Detektionseffizienz
wünschenswert.
Voll funktionstüchtige Quanten-Repeater
werden wohl noch
auf absehbare Zeit Gegenstand
der Grundlagenforschung bleiben,
denn eine der Voraussetzungen
sind atomare Speicher
für Qubits. Solche Speicher gibt
es bisher erst ansatzweise. Ermutigenderweise
konnte ein Team
aus deutschen, österreichischen
und chinesischen Physikern um
Jian-Wei Pan von der Uni Heidelberg
vor wenigen Monaten aber
Grundmodule für Quanten-Repeater
experimentell verwirklichen
[6]. Zudem vermeldete
das gleiche Team erst kürzlich in
Nature Physics eine deutlich erhöhte
Speicherzeit für die benötigten
atomaren Qubits. Die
Strecke zwischen zwei Quanten-
Repeatern könnte damit nun
von wenigen Kilometern theoretisch
auf das mindestens Hundertfache
ausgedehnt werden –
wenn die Quanten-Repeater erst
einmal verwirklicht sind.
Selbst Weltraumprojekte werden
inzwischen in Angriff genommen.
Das von einem Konsortium
europäischer Forscher
bei der ESA beantragte Projekt
Quantum Entanglement in
Space Experiments (QUEST) hat
als Ziel, eine Quelle für verschränkte
Photonenpaare zur
Internationalen Weltraumstation
ISS zu bringen, um Experimente
für eine Quantenkommunikation
zwischen Weltraum und Erde
durchzuführen [7]. Doch noch ist
unklar, wie die empfindlichen
Geräte einen Raketenstart überstehen
sollen. Deshalb spricht
SECOQC-Projektleiter Christian
Monyk bei diesem Thema noch
von „Zukunftsmusik, allerdings
nicht zu ferner“.
Sender
Glasfaser
BS
HWP
PBS
La Palma
Quelle und Sender
CCD
PBS
Quelle
verschr.
Photonenpaare
Hochleistungslaser
BBO-
Kristall
Alice
Polarisationsmessung
Uhr
(GPS)
BS (Beam-Splitter = Strahlteiler)
HWP (Half-Wave Plate = Lambda/2-Plättchen)
Den Markt im Blick
Von der technischen Weiterentwicklung
hängt auch der erhoffte
breite Markterfolg ab. Die derzeit
noch verhältnismäßig hohen
Preise der Systeme entstehen zu
einem guten Teil durch die aufwendige
Einzelanfertigung und
händische Kalibrierung der Geräte.
Zwar sind die Systeme für Behörden,
Banken und Konzerne
bei entsprechendem Nutzen
auch heute schon durchaus erschwinglich,
doch müssten sie
für ein größeres Publikum viel
billiger werden – was laut Monyk
bei einer industriellen Fertigung
in größerer Stückzahl auch bei
dieser Technik durchaus zu erwarten
ist.
Nicht nur SECOQC ist in dieser
Hinsicht optimistisch – wobei
man in einem „White Business
Paper“ konkret auf mögliche
Zweifel der Entscheider in Firmen
und Behörden eingeht, die
diese angesichts schwer verständlicher
Konzepte aus der
Quantenphysik hegen könnten,
und Wege aufzeigt, wie Quantennetzwerke
wirtschaftlich eingesetzt
werden könnten.
International gültige Standards
für die Quantenschlüsselverteilung,
deren Entwicklung
inzwischen auch die europäische
Telekommunikations-Standardisierungsbehörde
ETSI vorantreibt,
würden dazu nicht unerheblich
beitragen. Ein erstes
ETSI-Kennenlern-Treffen aller Beteiligten,
darunter Vertreter von
Firmen wie HP, Toshiba, Telefonica
und Siemens, hat es während
der Konferenz in Wien bereits
gegeben.
Die Arbeitsgruppe will nun Sicherheitsziele
erarbeiten, die in
entsprechende Spezifikationen
für die Entwickler und Hersteller
münden sollen. Diese müssen
auch die geschäftlichen Anforderungen
unterschiedlicher künftiger
Anwendergruppen berücksichtigen.
Passende Schnittstellen
sollen dazu entwickelt und
definiert werden, wobei auch alle
erdenklichen Kompatibilitätsfragen
beachtet werden müssen:
bessere Kompatibilität quantenkryptografischer
Systeme untereinander
sowie die Kompatibilität
der neuen Technologie
zur bestehenden Infrastruktur
und zu bestehenden kryptografischen
Lösungen.
Auch wenn im Detail noch
viel weiterentwickelt werden
kann, hat sich die Quantenkryptografie
inzwischen von einer
esoterisch anmutenden Idee zu
einer anwendbaren Technik zur
sicheren Schlüsselverteilung gemausert.
Bis das bei SECOQC
im Projektnamen angekündigte
weltumspannende Quanten-
gewöhnliche
Internetverbindung
Nachführstrahl
Quantenkommunikation
Teneriffa
optische Bodenstation (ESA)
Nachführlaser
Uhr
(GPS)
Zeitmarken
Zeitmarken
Bob
PBS
Teleskop
BS
HWP
PBS
Polarisationsmessung
PBS (Polarization Beam-Splitter = Polarisationsstrahlteiler)
Vorübungen für den Weltraum: Bei diesem Versuch hat
Alice 2007 auf La Palma eines der dort erzeugten verschränkten
Photonen gemessen und das andere nach Teneriffa geschickt,
wo Bob es ausgelesen hat.
1016 mm
netzwerk tatsächlich verwirklicht
ist, wird aber wohl noch einige
Zeit ins Land gehen. Doch
hat das Konsortium mit seinem
Netzwerk-Prototyp ein gutes
Stück des Weges hin zur breiten
Praxistauglichkeit zurückgelegt.
(anm)
Literatur
[1]ˇDr. Wolfgang Stieler, Bob wird geschäftsfähig,
Erste Banküberweisung
mit Quantenkryptographie,
c’t 10/04, S. 54
[2]ˇThomas Jennewein, Gregor
Weihs, Anton Zeilinger, Schrödingers
Geheimnisse, Absolut sichere
Kommunikation durch Quantenkryptographie,
c’t 6/01, S. 260
[3]ˇSECOQC-Projektseite, u.ˇa. mit
White Papers und Filmen: www.
secoqc.net
[4]ˇDr. Veronika Winkler, Quantenkryptografie
hilft bei Wahlen,
c’t 23/07, S. 50
[5]ˇChip Elliott et al, Current State of
The DARPA Quantum Network,
http://arxiv.org/vc/quant-ph/
papers/0503/0503058v1.pdf
[6]ˇDr. Veronika Winkler, Quantenrepeater
für die Quantenkommunikation
über weite Distanzen,
c’t 20/08, S. 50
[7]ˇDr. Veronika Winkler, Quantenkryptografischer
Schlüssel via Teleskop
über Rekordstrecke verschickt,
c’t 14/07, S. 51 c
c’t 2009, Heft 2
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