Sichere Datenübertragung dank eines einzigen Photons
Sicherheit in der Datenübertragung ist eine der wissenschaftlichen Aufgaben des Sonderforschungsbereichs SFB 787 „Halbleiter-Nanophotonik“, dessen Sprecherhochschule die TU Berlin ist. Beteiligt sind auch die Mathematiker und MATHEON-Mitglieder Prof. Frank Schmidt, Dr. Sven Burger und Dr. Benjamin Wohlfeil vom Zuse-Institut Berlin.
Schematische Darstellung der Einzelphotonenquelle auf Basis einer Quantenpunkt-Mikrolinse
privat / TU Berlin
Daten werden in der Regel in Glasfasern mit Lichtimpulsen übermittelt. Die normale Übertragung geschieht mit 1 und 0, wobei die „Eins“ Milliarden von Photonen in Form eines Lichtpulses beträgt, die Null dagegen kein Licht sendet. Diese Übertragung birgt die Gefahr, dass beispielsweise von den vielen Milliarden Lichtteilchen 10.000 heraus gezogen werden, um die Information abzuhören. Dies würde beim Empfänger überhaupt nicht auffallen. „Man kann als Empfänger nicht unterscheiden, ob die gesamte Information angekommen ist oder ein Teil abgehört wurde“, erklärt Prof. Stephan Reitzenstein, Sprecher des Sonderforschungsbereichs und Professor am Institut für Physik der TU Berlin.
In der Quantenkommunikation will man daher mit einzelnen Photonen arbeiten. Das bedeutet, dass im Falle eines Abhörversuches nur dieses einzelne Photon aus der Übermittlung herausgenommen werden kann, dann aber auch keine Nachricht beim Empfänger ankommt. Hinzu kommt, dass durch einen Abhörversuch der Zustand des Photons unwiderruflich verändert wird. „Man hat damit das System derart gestört, dass auch das Kopieren auffallen würde“, so Reitzenstein. Mit der Quantenkommunikation könnte man das Abhören also „rein theoretisch“ vollkommen unmöglich zu machen.
Tatsächlich sind derzeit schon Systeme erhältlich, die auf dieser Basis arbeiten. Im Forschungsprojekt wird jedoch mit Lichtquellen gearbeitet und geforscht, die derzeit noch nicht auf dem Markt sind. Die erhältlichen Systeme bedienen sich Laser mit einer Ausgangsleitung von etwa einem Milliwatt. Dann wird diese Leistung soweit minimiert, dass im Mittel ein Photon aus dem System heraus kommt. Das Problem ist, dass durch die notwendige starke Abschwächung bei vielen Impulsen kein Photon oder auch pro Impuls mehr als ein Photon entsteht. Die Möglichkeit eines Versagens der aktuellen Systeme ist also relativ groß und somit sind diese Systeme noch sehr langsam und vergleichsweise unsicher.
Nach Kenntnis des Physikers werden diese Vorgänge zwar weltweit untersucht, einzigartig allerdings ist der große Fortschritt der Berliner Forscher. Einzigartig ist auch die spezielle Lithografie-Methode des Ansatzes. Gearbeitet wird mit Quantenpunkten auf einem kleinen Halbleiterobjekt mit einer Ausdehnung von 10-20 Nanometern. Wird dieser Quantenpunkt auf „Knopfdruck“ angeregt, wird ein Elektron gespeichert mit einem so genannten Loch als Gegenstück. Nach einer gewissen Zeit vereinigen sich diese beiden entgegengesetzt geladenen Teilchen und senden ein Photon aus. Allerdings formen sich solche Quantenpunkte bei der Herstellung zufällig auf der Oberfläche des Halbleitermaterials. Man weiß also nicht zuverlässig, wo der Quantenpunkt sitzt. Dies führt in der Regel zu einer schlechten Ausbeute. Im Sonderforschungsbereich wurde daher eine Methode entwickelt, mit der man sicher den Quantenpunkt lokalisieren kann, um diesen in eine Mikrolinse einzubetten.
Die Mathematiker Frank Schmidt, Sven Burger und Benjamin Wohlfeil rechneten und rechnen den optischen Teil der Quantenphysik. „Wir hatten eine gegebene Lichtquelle und eine gegebene Konfiguration als Vorgabe. Nun mussten wir die Frage klären, wie die optimale Form, Größe oder Höhe der Linse, also die finale Optik auszusehen hat. Es geht dabei letztlich um die Optimierung der Linse, also ein klassisches Optimierungsproblem“, so Prof. Schmidt. Ein weiteres Problem für die Mathematiker war es, den Stromfluss durch das nötige Trägermetall zu gewährleisten und dann zu berechnen, wie viel Licht schließlich aus der Linse kommt. „Alles zu lösende Voraussetzungen, um aus dem physikalischen Effekt ein handels- und herstellbares Design zumachen“ ergänzt Benjamin Wohlfeil. Dafür wurden ganz unterschiedliche Linsenformen ausprobiert. Schließlich waren die Mathematiker sehr erfolgreich, denn sie konnten den Anteil des austretenden Lichts in ihren Rechnungen von etwa einem Prozent auf über 60 Prozent erhöhen.
Die entwickelte Mikrolinse unterscheidet sich kaum von einer normalen Linse, allerdings wird die Linse im umgekehrten Sinne angewendet. Der „Brennfleck“ ist die einzelne Photonenquelle und die Linse gibt dieses Photon dann effizient in die Umgebung, also den Kommunikationskanal ab. Ohne eine solche Linse würde nur ungefähr jedes 100ste Photon nach außen gelangen.
Gleichzeitig werden beim Fertigungsprozess der Linse alle anderen störenden Quantenpunkte entfernt, so dass der einzig effektive Quantenpunkt in der Linse sitzt. Voraussetzung für diesen Vorgang ist ein ausgeklügeltes in-situ Lithographieverfahren, welches in der Gruppe von Prof. Reitzenstein entwickelt wurde. Mit dieser Methode kann also voll kontrolliert jeweils eine optimale Linse mit integriertem Quantenpunkt hergestellt werden. Wobei das Material identisch ist, aus dem sowohl der Quantenpunkt wie auch die Linse entstanden sind. Das ist bisher weltweit einmalig, denn die Prozessausbeute liegt mit dieser Methode bei etwa 90 Prozent im Gegensatz zu allen anderen Methoden, deren Ausbeute bei lediglich einem Prozent liegt.
Noch ist die Entwicklung aber nicht so weit, dass dieser Vorgang in fertige Geräte eingebaut werden kann. Behindert wird dies besonders dadurch, dass für den Betrieb Temperaturen von weniger als -240° C benötigt werden. Eine weitere Aufgabe wird es sein, von der bisherigen Emissionswellenlänge von 900 Nanometern auf die in der Telekommunikation üblichen 1300 Nanometer zu kommen und die Quellen direkt an eine Glasfaser anzukoppeln.
Schließlich besteht noch das Problem der zu geringen Reichweite dieser Quanten-Datenübertragung, da diese Form der Kommunikation eine Verstärkung der Signale grundsätzlich nicht zulässt. In der Quantenkommunikation muss auf die Teleportation zurückgegriffen werden.
Ob diese Aufgabe in den nächsten vier Jahren und damit dem Ende des Sonderforschungsbereichs aufgrund der Höchstdauer von zwölf Jahren erfüllt werden können, glaubt Prof. Reitzenstein nicht. „Dieses zuletzt genannte Problem könnten Aufgabe eines neuen Sonderforschungsbereiches sein. Allerdings sehen wir da einer großen Konkurrenz vor allem aus China entgegen, wo in diese Forschung gerade zwei bis dreistellige Millionenbeträge investiert werden“, so der Physiker.
Originalveröffentlichung
M. Gschrey, A. Thoma, P. Schnauber, M. Seifried, R. Schmidt, B. Wohlfeil, L. Krüger, J. -H. Schulze, T. Heindel, S. Burger, F. Schmidt, A. Strittmatter, S. Rodt & S. Reitzenstein; "Highly indistinguishable photons from deterministic quantum-dot microlenses utilizing three-dimensional in situ electron-beam lithography"; Nature Comm.; 2015
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