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Selda Müller
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Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen

Auf den Punkt gebracht

● Die Quantenkryptografie ermöglicht es, Information absolut abhörsicher zu übertragen. Forscher des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts nutzen dafür aus, dass sich Quanteninformation nicht fehlerlos kopieren lässt und die Quantenwelt echten Zufall kennt.

● Quanteninformation lässt sich über weite Strecken eher durch den freien Raum übertragen als über Glasfaserkabel, weil sie sich, anders als klassische Information, bislang nicht auffrischen lässt. Eine Übertragung durch die Luft ist zudem Voraussetzung für eine quantenverschlüsselte Satellitenkommunikation.

● Bisher wurden für die Quantenkommunikation vor allem einzelne Photonen als Informationsträger genutzt, die sich bei Tag weniger effizient übertragen lassen. Erlanger Max-Planck-Physiker haben Quanteninformation erstmals mit hellen Lichtpulsen bei Tageslicht durch eine turbulente Atmosphäre verschickt und auf diese Weise geholfen, die Anwendungsmöglichkeiten der Quantenkommunikation auf den Datenaustausch mit Satelliten zu erweitern.

Geheimcode im Laserblitz

Geheimcode im Laserblitz

Die NSA und andere Geheimdienste können unsere Kommunikation künftig womöglich nicht mehr unbemerkt abgreifen – zumindest wenn die Quantenkryptografie breite Anwendung findet. Ein Team um Christoph Marquardt und Gerd Leuchs schafft am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen die Grundlagen, um kryptografische Schlüssel auch über Satelliten abhörsicher zu verteilen. Einstweilen haben die Forscher die Quantenkommunikation schon mal ans Tageslicht geholt.
Alice mit Blickkontakt zu Bob: Von einer Sendestation, Alice genannt, im Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts übermitteln die Forscher mit hellen Laserblitzen Quanteninformation zu einem Empfänger namens Bob, der 1,6 Kilometer entfernt in einem Gebäude der Universität Erlangen-Nürnberg aufgebaut ist. Bild vergrößern
Alice mit Blickkontakt zu Bob: Von einer Sendestation, Alice genannt, im Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts übermitteln die Forscher mit hellen Laserblitzen Quanteninformation zu einem Empfänger namens Bob, der 1,6 Kilometer entfernt in einem Gebäude der Universität Erlangen-Nürnberg aufgebaut ist. [weniger]

TEXT ROLAND WENGENMAYR

Was im Dachgeschoss des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts steht, dürfte Geheimdiensten eher nicht gefallen. Das vor uns aufgebaute Experiment dient der einzigen Methode, mit der man zuverlässig abhörsicher kommu-nizieren kann. Dafür nutzt die Quantenkryptografie, wie diese Technik enigmatisch heißt, gezielt die Quantenphysik aus. Es gibt sogar schon kommerzielle Systeme auf dem Markt, doch noch steckt die Technik in den Kinderschuhen. Noch ist sie weit davon entfernt, eine weltumspannende Kommunikation zu ermöglichen.

Den Erlanger Physikerinnen und Physikern ist nun auf diesem Gebiet quasi ein Quantensprung gelungen. Als erstes Forschungsteam der Welt können sie besonders empfindliche Quanteninformation am helllichten Tag durch flimmernde, schlierige und dunstige Luft schicken. Sie kommen daher ohne Glasfaserkabel aus, die für die weltweite Quantenkommunikation noch nicht geeignet sind.

Wir stehen neben der Sendestation, die traditionell Alice heißt, weil A wie Alice mit B wie Bob kommuniziert. Bettina Heim deutet durch die Öffnung vor uns auf das Informatikgebäude der Erlanger Universität, das am Horizont im Dunst des sonnigen Februarnachmittags schwimmt. Dort, in 1,6 Kilometern Entfernung, befindet sich die Empfängerstation Bob. Mit bloßem Auge ist sie nicht auszumachen. Bob sammelt mit seiner 15 Zentimeter großen Teleskoplinse das von Alice ankommende Laserlicht ein und fokussiert es in einen Empfänger. Selbst unter so diesigen Bedingungen wie im Augenblick funktioniere die Übertragung, erklärt Christian Peuntinger stolz. Der erfolgreiche Versuchsaufbau, den der Physiker mitentwickelt hat, wird derzeit für weitere Experimente umgerüstet.

Die härteste Prüfung für die Signalübertragung

Wir befinden uns in der Abteilung von Gerd Leuchs, einem der Gründungsdirektoren des fünf Jahre jungen Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts. „Die verschiedenen Gruppen in meiner Abteilung erforschen unterschiedliche Aspekte des Lichts“, erklärt Leuchs: „Und der Schwerpunkt von Christoph Marquardts Gruppe ist die Quanteninformationsverarbeitung, wozu die Quantenkryptografie gehört.“ Bettina Heim und Christian Peuntinger promovieren in dem Team. Marquardt macht deutlich, wie erstaunlich gut das Erlanger Experiment funktioniert – denn die damit versandte Quanteninformation ist hypersensibel. „Diese Übertragungsstrecke ist so ziemlich die härteste Prüfung für die Signalübertragung, die es gibt, weil sie sehr nahe am Boden entlangführt“, erklärt der Physiker: „Bäume, aufgeheizte Straßen und Gebäude sorgen für extrem störende Luftturbulenzen.“

Christoph Marquardt justiert den Auf bau eines neuen Senders Bild vergrößern
Christoph Marquardt justiert den Auf bau eines neuen Senders

Das hat Folgen: Der Laserstrahl blüht unterwegs auf gut 15 Zentimeter Durchmesser auf. „Ohne diese Störungen wären es nur vier Zentimeter“, sagt der Physiker. Auch die besondere Qualität des Laserlichts leidet. Es zeichnet sich dadurch aus, dass die Lichtwellen der einzelnen Lichtquanten, Photonen, im Gleichtakt laufen. Deshalb besitzt ungestörtes Laserlicht saubere Wellenfronten – wie die Kämme schön parallel laufender Meereswellen. „Aber die Luftturbulenzen verzerren diese Wellenfronten“, erklärt Marquardt: „Und das ist auch schlecht für die mittransportierte Quanteninformation.“

Doch das Team in der Abteilung von Gerd Leuchs hat einen smarten Weg gefunden, die Quanteninformation so gut geschützt im Laserlicht zu verpacken, dass sie diese Verzerrungen übersteht. Wie das genau funktioniert, wird uns im Lauf des Nachmittags noch beschäftigen. Hier, mit Blick aus dem kleinen Fenster in die Februarsonne, macht Bettina Heim auf einen weiteren Vorteil ihres Ansatzes aufmerksam. Den Erlangern gelang es, die Quanteninformation erstmals relativ starken Laserblitzen aufzuprägen.

Bisherige Freiluftexperimente setzen dagegen einzelne Photonen als Informationsträger ein. Der Preis dafür ist extrem schwaches Licht, das besonders empfindliche Empfänger notwendig macht. Wegen ihrer speziellen Bauart haben diese Empfänger es zudem sehr schwer, das winzige Lichtquant mit der gesuchten Information aus dem Photonengeprassel des grellen Tageslichts herauszufiltern.

Deshalb sind solche Freiluftexperimente bei hellem Tageslicht eine Herausforderung. Beim Erlanger Experiment hingegen sind nicht nur die Lichtblitze robust hell im Vergleich zum Hintergrund. Die Information steckt überdies so intelligent in ihnen, dass das helle Hintergrundlicht beim Herauslesen gar nicht stört. Aber warum wollen Forscher Information überhaupt durch die freie Luft schicken? Man kann Quanteninformation ja auch über Glasfasern senden, die einen gut geschützten Transportweg für Licht bieten.

„Mit der Übertragung durch die Luft sind wir unabhängiger von der Infrastruktur“, betont Bettina Heim. Hinzu kommt ein bei der Glasfaserübertragung bislang ungelöstes Problem: Nach etwa hundert Kilometern sind die Laserpulse in den Fasern so abgeschwächt, dass sie für längere Strecken aufgefrischt werden müssen. Bei der Übertragung konventioneller digitaler Information in heutigen Glasfasernetzen wird das Licht daher regelmäßig zwischenverstärkt.

Doch die empfindliche Quanten-information wird von der heutigen Verstärkertechnik zerstört. Sogenannte Quantenrepeater sollen zwar eines Tages Quanteninformation weiter durchschalten können, doch noch gibt es sie nicht. Die Freiluftübertragung kann dagegen auch ohne Zwischenverstärkung weite Strecken überwinden. Mit den empfindlichen Einzelphotonen gelang dies europäischen Forschern immerhin schon über 144 Kilometer – allerdings in klarer Nachtluft auf den Kanaren.

„Wir können aber auch über viel weitere Strecken mit Satelliten kommunizieren“, zählt Christoph Marquardt den nächsten Vorteil auf. Und genau darum geht es bei dem spannenden Wettrennen, das sich derzeit Forschungsgruppen aus China, Japan, Kanada, den USA und Europa liefern. Das Ziel: Wer schafft es am besten, die hochempfindliche Quanteninformation zwischen einem Satelliten und der Erde zu übertragen? Mit ihrer neuen, auf starken Laserblitzen basierenden Technik haben sich die Erlanger in diesem Rennen in eine gute Position gebracht und bereiten nun Experimente mit Satelliten vor.

Abhörsichere Verbindungen rund um den Globus

Als eine Art Schreibmaschine für Quanteninformation verwenden die Forscher die beiden schwarz-goldenen Kästchen. Dabei handelt es sich um Modulatoren, mit denen sie im Sender die Signale für ihre Experimente erzeugen. Bild vergrößern
Als eine Art Schreibmaschine für Quanteninformation verwenden die Forscher die beiden schwarz-goldenen Kästchen. Dabei handelt es sich um Modulatoren, mit denen sie im Sender die Signale für ihre Experimente erzeugen. [weniger]

Eine funktionierende Quantenkommunikation mit einem Satelliten ist eine gewaltige technische Herausforderung. Den Max-Planck-Wissenschaftlern geht es bei diesem Projekt um Grundlagenforschung. Aber natürlich ist allen klar, dass ein technischer Durchbruch abhörsichere Verbindungen rund um den Globus ermöglichen würde. Chinesische Physiker haben kürzlich für ein solches Projekt umgerechnet rund hundert Millionen Dollar erhalten. „China hat das als eine von fünf strategisch besonders wichtigen Raumfahrtmissionen eingestuft“, betont Satellitenexperte Dominique Elser. „Diese Nachricht hat dann auch in anderen Ländern politisch etwas angestoßen“, ergänzt Marquardt.

Einige Stockwerke tiefer führt Imran Khan den gerade entstehenden Erlanger Empfänger für die Satellitenkommunikation vor. Sat-Bob ist genauso kompakt wie das Experiment auf dem Dach und würde in einen Schuhkarton passen. „Wir testen gerade verschiedene Versionen durch“, sagt der Doktorand. Auf Breadboards, soliden Lochplatten aus Metall, sind Linsen und viele andere Bauteile montiert. Das Gerät sieht überraschend unspektakulär aus angesichts der Tatsache, dass es über eine Ent-fernung von mehr als 36000 Kilometern kommunizieren soll. So hoch über der Erde befindet sich der geostationäre Satellit, der involviert sein wird. Geostationäre Satelliten haben den Vorteil, dass sie synchron zur Erdoberfläche umlaufen, also, vom Boden aus gesehen, wie festgenagelt am Himmel stehen.

Tatsächlich existiert die passende Satellitentechnik schon – und sie kommt aus Backnang bei Stuttgart. Dort hat das Unternehmen Tesat-Spacecom seinen Sitz. Es hat ein Laserkommunikationssystem für die Sentinel-Erdbeobachtungssatelliten der Euro-päischen Weltraumorganisation ESA und für andere Satelliten entwickelt.

Die Sentinel-Satelliten fliegen tief, weshalb sie nur sehr kurz für die Bodenstation sichtbar sind. „Daher gehen ihre Daten nicht direkt zum Boden, sondern zu Satelliten in der geostationären Bahn, auf denen ebenfalls Tesat-Laserkommunikationssysteme installiert sind“, sagt Dominique Elser: „Diese Laser Communication Terminals (LCTs) dienen als Kommunikationsrelais, weil sie, aus Sicht der Bodenstation, immer an einem festen Punkt am Himmel stehen.“ Elser, der an dem Satellitenprojekt arbeitet, erklärt, dass die LCTs bereits einen großen Teil der Technik enthalten, die für Quantenkommunikation via Laserstrahl notwendig ist. Daher erfüllen sie auch schon die technischen Voraussetzungen für die Quantenkryptografie.

Grundsätzlich braucht die Quantenkryptografie zwei Kanäle. Über einen Kanal tauschen Alice und Bob Quantensignale aus. Dieser Kanal muss abhörsicher sein, und genau dafür kann die Quantenphysik garantieren. Über einen zweiten Kanal, der sogar öffentlich sein darf, können die beiden dann zur Überprüfung einen Teil ihrer gemessenen Quantensignale austauschen.

Nur die Quantenphysik kennt echten Zufall

Empfangsbereit: Bettina Heim und Christian Peuntinger präparieren den Empfänger Bob, der im Informatikgebäude der Universität Erlangen-Nürnberg aufgebaut ist, für das Experiment. Bild vergrößern
Empfangsbereit: Bettina Heim und Christian Peuntinger präparieren den Empfänger Bob, der im Informatikgebäude der Universität Erlangen-Nürnberg aufgebaut ist, für das Experiment. [weniger]

Natürlich muss auch der auf den ausgetauschten Quantensignalen basierende Schlüssel sicher sein. Auch hier kann die Quantenphysik entscheidend helfen: Nur sie kennt den echten Zufall, den perfekten Würfelwurf. Technisch ist das Generieren von Zufall nämlich überraschend schwierig. Ein Wurf mit dem Würfel oder die Lottoziehung ließen sich berechnen, wenn man den Anfangszustand des Würfels beziehungsweise der Lottokugeln genau kennen würde und genug Rechenkapazität hätte, um die Wirkung der physikalischen Gesetze auf sie konsequent zu kalkulieren.

Auch heutige Computer können nur Pseudo-Zufallszahlen erzeugen, die stets einen systematischen, vorhersagbaren Anteil enthalten. Deshalb arbeitet Marquardts Team auch mit österreichischen Kollegen an einem quantenmechanischen Zufallsgenerator, der in einen USB-Stick passen soll. Mit so einem Gerät kann Alice eine Kette garantiert echter Zufallszahlen erzeugen.

Das Wort Kryptografie kommt aus dem Altgriechischen und bedeutet „Geheimschrift“. Tatsächlich geht es bei der Quantenkryptografie aber um abhör-sicheres Austauschen eines Schlüssels. Daher trifft der englische Name quantum key distribution, also Quantenschlüssel-Verteilung, den Sachverhalt besser. Aber wie sorgt die Quantenphysik für Abhörsicherheit im Quantenkanal?

Und hier kommt Eve ins Spiel. „Eve“ leitet sich vom englischen Wort eavesdropper für „Lauscher“ ab. Genau das tut diese Spionin. Bei nicht quantenverschlüsselten Nachrichten ist es für sie technisch kein Problem, etwas Licht abzuzweigen und so vollkommen unbemerkt mitzuhören. Doch sobald Alice und Bob echte Quanten-information austauschen, ändert sich das. Nun hinterlässt jeder Mitlauschversuch von Eve unvermeidlich Spuren. Diese können Alice und Bob ausfindig machen, indem sie über den öffentlichen Kanal einen Teil des von Alice gesendeten Signals mit dem von Bob empfangenen vergleichen.

Durch Turbulenzen verzerrt: Das Intensitätsprofil des übertragenen Strahls (blau – niedrige Intensität; rot – hohe Intensität) zeigt, dass der Strahl nach der Übertragung durch die Luft nicht mehr symmetrisch zur Achse der Ausbreitungsrichtung geformt ist. Daher schreiben die Erlanger Forscher die Quanteninformation in die Polarisation des Lichts, der die Turbulenzen nichts anhaben können Bild vergrößern
Durch Turbulenzen verzerrt: Das Intensitätsprofil des übertragenen Strahls (blau – niedrige Intensität; rot – hohe Intensität) zeigt, dass der Strahl nach der Übertragung durch die Luft nicht mehr symmetrisch zur Achse der Ausbreitungsrichtung geformt ist. Daher schreiben die Erlanger Forscher die Quanteninformation in die Polarisation des Lichts, der die Turbulenzen nichts anhaben können [weniger]

Der Grund für Eves Problem liegt darin, dass Quanteninformation nicht perfekt kopierbar ist – nur übertragbar. Wissenschaftlich heißt dies No-Cloning-Theorem. Das Lesen von Quanteninformation entspricht einer Messung am Informationsträger, zum Beispiel einem Photon. Laut Quantenmechanik verändert jedoch jede Messung unweigerlich das gemessene Objekt. Das Lesen einer Quanteninformation kann man sich also ein bisschen wie einen Brief vorstellen, der in einer lichtempfindlichen Geheimtinte geschrieben ist, die nach dem Öffnen des Briefs schnell verblasst.

Klassische Information, etwa digitale Nullen und Einsen, ist nur deshalb kopierbar, weil Quanteneffekte für sie keine Rolle spielen. In der Regel wird eine solche Information von sehr vielen Photonen oder Elektronen getragen, die sich in dieser Menge wie Objekte der klassischen Physik verhalten. Quanteninformation hingegen ist zwar durch die sogenannte Quantenteleportation von einem Träger auf einen anderen übertragbar – zum Beispiel von einem Photon als sogenanntem fliegendem Quantenbit (Qubit) auf ein Atom als in einem Speicher ruhendes Qubit. Doch bei diesem Vorgang handelt es sich nicht um Kopieren, denn dabei wird die Quanteninformation im ursprünglichen Informationsträger gelöscht. Deshalb kann Eve niemals unbemerkt Quanteninformation kopieren, um sie zu lesen.

Eine Methode aus der klassischen Radartechnik

Indem die Erlanger sensible Quanteninformation auf starke Laserpulse übertrugen, ist ihnen eine technische Meisterleistung gelungen. Zu diesem Zweck brauchten sie besonderes Licht und eine Methode aus der klassischen Radartechnik. Dieses Homodynverfahren nutzt die Welleneigenschaften des Signalträgers geschickt aus. Mit einfachen Worten ausgedrückt: Es mischt ein sehr schwaches Signal, das die eigentliche Information enthält, einem sehr starken Trägersignal bei.

Stellt man sich dieses Signal als Wasserwellen vor, entspricht es einer feinen, regelmäßigen Kräuselung auf einer schweren Dünung. Mithilfe dieser Methode kann der Empfänger die schwache Signalwelle – so wie die Kräuselung auf der Dünung – sehr empfindlich aufspüren. Auch nach einem beschwerlichen Weg durch eine störende Umwelt findet er das Signal noch zuverlässig. Genau dies nutzen die Erlanger, indem sie den empfindlichen Quantenzustand einem starken Laser-Transportstrahl aufprägen.

Bobs Auge: Mit dieser Linse sammelt der Empfänger die Lichtsignale, die Alice schickt. In der Mitte der Linse befindet sich, auf dem Kopf stehend, die Sendestation Bild vergrößern
Bobs Auge: Mit dieser Linse sammelt der Empfänger die Lichtsignale, die Alice schickt. In der Mitte der Linse befindet sich, auf dem Kopf stehend, die Sendestation [weniger]

Besonders gut durchführen lässt sich Quantenkommunikation mit „gequetschtem Licht“. Das ist eine Form von Licht, die in der Natur nicht bekannt ist. Sie lässt sich künstlich aus Laserlicht herstellen. Dabei kommt eine weitere Eigenschaft der Quantenwelt ins Spiel, die Heisenbergsche Unschärferelation. Diese besagt, dass Paare von physikalischen Größen, die in einer speziellen Beziehung zueinander stehen, in der Quantenwelt nicht gleichzeitig beliebig genau bestimmbar sind. Diese besondere Paarbeziehung heißt in der Physik komplementär. Ein Beispiel sind die Geschwindigkeit und der Aufenthaltsort eines Quantenobjekts. Beide Größen lassen sich grundsätzlich nicht zugleich exakt bestimmen.

In der Quantenwelt hätte also eine Quantenverkehrspolizei ein Problem. Entweder könnte sie mit ihrem Radar die Geschwindigkeit eines potenziellen Verkehrssünders genau genug für einen Strafzettel messen. Doch dann wäre das Kennzeichen auf dem Foto unscharf. Oder sie schießt umgekehrt ein scharfes Foto, erhält dann jedoch nicht genügend Information über die Geschwindigkeit.

Immerhin können Quantenphysiker mit der Präzision der beiden komplementären Größen handeln: Sie können eine Größe, die einen Quantenzustand charakterisiert, auf Kosten der komplementären Größe präzisieren. Der Zustand heißt dann gequetscht. Die Erlanger quetschen allerdings bei ihrem Laserlicht ein anderes Merkmalspaar als Ort und Geschwindigkeit. Sie verwenden die Polarisation des Lichts. Diese Größe beschreibt die Richtung, in der die Lichtwelle sozusagen auf und ab schwingt. Eine durch den Raum wandernde Lichtwelle besitzt grundsätzlich komplementäre Schwingungsrichtungen, die nicht gleichzeitig beliebig scharf bestimmbar sind. Solche Polarisationspaare quetscht Marquardts Gruppe.

Mehr Information in einem Laserblitz

Profil des gequetschten Lichts: In der Quantenmechanik lassen sich die zwei Größen eines Eigenschaftspaars nicht beliebig genau messen. Physiker können zwar die Genauigkeit einer Größe erhöhen (S θ sq ), verlieren dabei jedoch Präzision in der anderen Größe (S θ sq+ 90 ° ). Einen solchen gequetschten Zustand haben Erlanger Forscher erfolgreich durch die Atmosphäre übertragen, wie diese Rekonstruktion zeigt. Bild vergrößern
Profil des gequetschten Lichts: In der Quantenmechanik lassen sich die zwei Größen eines Eigenschaftspaars nicht beliebig genau messen. Physiker können zwar die Genauigkeit einer Größe erhöhen (S θ sq ), verlieren dabei jedoch Präzision in der anderen Größe (S θ sq+ 90 ° ). Einen solchen gequetschten Zustand haben Erlanger Forscher erfolgreich durch die Atmosphäre übertragen, wie diese Rekonstruktion zeigt. [weniger]

Die Methode hat den Vorteil, dass die Polarisation Störungen in der Luft robust übersteht. „Auch wenn die Turbulenzen der Luft die Wellenfronten eines Laserblitzes total verformen, bleibt die Polarisation darin erhalten“, sagt Marquardt. Die Quanteninformation reist also stabil von Alice zu Bob. Und die Erlanger Technik bietet noch weitere Vorteile. Bisherige Verfahren basieren auf einer Art Lichtmorsen mit einzelnen Photonen, der Empfänger von Bob erzeugt daraus einzelne Klicks. In dem Erlanger Verfahren lassen sich nun Quanteninformationen nicht nur klickweise, sondern kontinuierlich verpacken. Damit passt wesentlich mehr Information in einen Laserblitz, was den Weg zu einer schnelleren und effizienteren Informationsübertragung eröffnet.

Das Satellitenexperiment, an dem die Erlanger beteiligt sind, habe überdies einen „netten Nebenaspekt“, erzählt Marquardt zum Schluss. Da betreibt er Understatement, denn dabei geht es um eine der größten ungelösten Fragen der Physik. „Es wäre das erste Mal, dass man einen solchen Quantenzustand eine so weite Strecke durch das Gravitationsfeld der Erde schicken würde“, erklärt der Physiker. Nach Einsteins allgemeiner Relativitätstheorie, die 2015 ihren hundertsten Geburtstag feiert, tickt die Zeit auf der Erdoberfläche langsamer als beim Satelliten in 36000 Kilometern Höhe.

Wenn ein hochempfindlicher Quantenzustand zwischen Weltall und Erde reist, sollte er die Auswirkungen der allgemeinen Relativitätstheorie spüren. Was dann mit dem Zustand passiert, kann derzeit niemand genau vorhersagen. Das liegt daran, dass es noch nicht gelungen ist, die allgemeine Relativitätstheorie mit der Quantentheorie zu einer umfassenden Theorie der Physik zu vereinen. Es gibt zwar konkurrierende Vorschläge der Theoretiker, die beschreiben, wie eine solche Quantengravitation funktionieren könnte. Doch keiner davon ist bislang bestätigt.

Teamarbeit für eine abhörsichere Kommunikation: Gerd Leuchs (im Vordergrund), Bettina Heim, Dominique Elser, Christian Peunting er und Christoph Marquardt (hinten, von links) möchten neue Anwendungen der Quantenkommunikation ermöglichen, etwa den sicheren Datenaustausch ü ber Satelliten. Bild vergrößern
Teamarbeit für eine abhörsichere Kommunikation: Gerd Leuchs (im Vordergrund), Bettina Heim, Dominique Elser, Christian Peunting er und Christoph Marquardt (hinten, von links) möchten neue Anwendungen der Quantenkommunikation ermöglichen, etwa den sicheren Datenaustausch ü ber Satelliten. [weniger]

Vielleicht könnte das Satellitenexperiment hier etwas Licht ins Dunkel bringen. „Die messbaren Effekte wären sicher winzig, aber man könnte vielleicht Grenzen ausloten“, sagt Marquardt vorsichtig. Damit würden eventuell manche heute gehandelten Modelle der Quantengravitation ausscheiden, und die theoretische Physik hätte neue Anhaltspunkte zum Weiterforschen.

Es ist erstaunlich, wie eng in der Quanteninformationstechnologie die Grundlagenforschung mit der technischen Anwendung verknüpft ist. „Da wir ein Max-Planck-Institut sind, hat die Anwendung zwar nicht die höchste Priorität“, erklärt Gerd Leuchs. „Aber manchmal ergeben sich ganz zwanglos direkte Verbindungen zu neuen Technologien, das macht es so schön.“ Für den Direktor ist es wichtig, dass junge Leute in Erlangen aus der Grundlagenforschung heraus auch faszinierende neue Technologien lernen können: „Die Gesellschaft finanziert ja unsere Grundlagenforschung über Steuergelder, und das ist der beste Service, den wir ihr bieten können.“

GLOSSAR

Quantenkommunikation: Ein Teilbereich der Quanteninformationsverarbeitung, bei dem Quanteninformation übertragen wird, die sich fundamental von klassischer Information unterscheidet: Sie kann nicht perfekt kopiert werden.

Quantenkryptografie: Eine Verschlüsselungstechnik, bei der Information absolut abhör-sicher übertragen wird. Dafür eignen sich verschiedene Effekte der Quantenphysik wie etwa die Tatsache, dass sich Quanteninformation nicht vollkommen fehlerfrei kopieren lässt.

Quantenrepeater: Ein Bauelement, das derzeit intensiv beforscht wird. Mit ihm soll Quanteninformation mithilfe der quantenmechanischen Verschränkung teleportiert werden. Quantenrepeater könnten daher Verluste umgehen, die bei einer Übertragung in Glasfaserkabeln über große Strecken auftreten.

 
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