Quantentechnologie Physiker bauen Photonenknast

Wissenschaftler haben ein wichtiges Quantenproblem gelöst. Sie haben einzelne Lichtteilchen in Kristallen gespeichert. Die Methode könnte den Weg zur sogenannten Quantenkommunikation ebnen, die einen entscheidenden Vorteil hat: Sie ist absolut abhörsicher.

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University of Calgary / Riley Brandt

"Spukhafte Fernwirkung" nannte Einstein eines der seltsamsten Phänomene, das die Physik zu bieten hat. Zwei Teilchen können miteinander "verschränkt" sein, was bedeutet: Egal, wie weit sie voneinander entfernt sind, ihr Zustand gleicht sich. Ändert sich bei einem Teilchen etwas, passiert das gleiche beim anderen.

Vergleichbar wäre das mit zwei Würfeln, die immer dieselbe Augenzahl anzeigen - selbst wenn sie auf verschiedenen Kontinenten liegen. Wirft man mit dem einen eine Sechs, liegt diese auch beim anderen oben. In der Quantenwelt geschieht dieser schwer vorstellbare Datenabgleich auch noch unglaublich schnell - der Informationsaustausch zwischen zwei verschränkten Photonen vollzieht sich mit mindestens 10.000-facher Lichtgeschwindigkeit, wie Physiker 2008 nachwiesen.

Obwohl das Phänomen kaum fassbar ist, könnte es die Basis neuer Technologien bilden - von Quantenkommunikation oder Quantencomputern etwa. So ermöglicht beispielsweise die Quantenkryptografie schon heute, verschlüsselte Informationen so zu übertragen, dass sie niemand abhören kann. Falls jemand die Photonen abfängt und kopiert, verändert er sie - und das würde der Empfänger merken. Quantencomputer wiederum könnten bestimmte Rechenaufgaben deutlich effizienter lösen als die herkömmlichen Geräte.

Bevor Quantentechnologie außerhalb von Laboren stärker zum Einsatz kommt, müssen Physiker aber noch einige Probleme lösen. Eines davon lautet: Wie und wo speichert man die verschränkten Teilchen, die die Information enthalten?

Jetzt melden Forscherteams in zwei Aufsätzen im Fachmagazin "Nature" , dass sie einen Schritt weitergekommen sind, das seltsame Phänomen nutzbar zu machen. "Wir haben, wenn man es mit einem Computer vergleichen will, eine Art Festplatte für Quanteninformationen erprobt", sagt Wolfgang Tittel von der University of Calgary, einer der beteiligten Physiker. Ihnen ist es gelungen, ein Photon kurzzeitig in einem Speicher einzufangen und wieder austreten zu lassen, ohne dass die Verschränkung des Lichtteilchens verloren ging. "Damit haben wir auch gezeigt, dass die Verschränkung viel robuster ist, als lange angenommen."

Noch hapert es an der Effizienz

Das Neue daran: Sie nutzten im Gegensatz zu früheren Experimenten kein extrem abgekühltes Gas als Speichermedium, sondern einen Kristall. "Das ist wesentlich praktikabler", erklärt Tittel. "Genau wie eine Festplatte sollte man sich diese Kristalle allerdings nicht vorstellen", warnt Wolfgang Sohler, dessen Arbeitsgruppe in Paderborn den Speicher hergestellt hat. "Er kann einzelne Photonen speichern, aber nur für einen bestimmten, sehr kurzen Zeitraum."

Momentan liegt der im Bereich von Nanosekunden - für eine praktische Anwendung wären allerdings schon Millisekunden ausreichend. Zur Speicherung werden die Photonen in einen sogenannten Wellenleiter im Kristall gelenkt. Der ist mit einem Querschnitt von zwei mal drei Mikrometern feiner als ein menschliches Haar. Darin enthaltene Thulium-Ionen sorgen dafür, dass der Kristall die Lichtteilchen kurzzeitig aufnehmen und wieder abgeben kann. Damit das Speichern funktioniert, muss der Kristall allerdings stark abgekühlt werden: auf etwa 3 Grad über dem absoluten Nullpunkt. Das ist zwar aufwendig - "aber nicht kompliziert", betont Tittel. Theoretisch könnten solche Kristalle auch als Speicher von Quantencomputern dienen.

Noch hapert es bei der Quantenkommunikation jedoch an der Effizienz. "Zurzeit gehen bei der Übertragung über Telekommunikationskabel pro zehn Kilometer Strecke rund 50 Prozent der Photonen verloren", sagt Tittel. "Und der Verlust beim Speichern ist noch viel größer", ergänzt Sohler.

Tittels Arbeitsgruppe visiert bereits das nächste Ziel an: Quanteninformation in einen Kristall hinein zu teleportieren. Dafür müsse man zwei Photonen verschränken. Eines wird gespeichert, das zweite dann dazu gebracht, mit einem dritten zu reagieren. Passiert das, müsste das gespeicherte Photon den Zustand von Nummer drei übernehmen. So könnte Information über große Strecken verlustfrei in den Speicher übertragen werden.



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insgesamt 97 Beiträge
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Seite 1
Ary 13.01.2011
1. Abhörsicher
"Sie [Quantenkommunikation] ist absolut abhörsicher." Völlig 'losgelöst' von der Erde diese Aussage Ohne jegliche Physikkenntnisse sagt mir die Logik da was anderes...
Michael Giertz, 13.01.2011
2. Quantenkommunikation
Zitat von sysopWissenschaftler haben ein bizarres Quantenproblem gelöst. Sie haben einzelne Lichtteilchen in Kristallen gespeichert. Die Methode könnte den Weg zur sogenannten Quantenkommunikation ebnen, die einen entscheidenden Vorteil hat: Sie ist absolut abhörsicher. http://www.spiegel.de/wissenschaft/technik/0,1518,739244,00.html
Sie hat auch noch einen Vorteil: sie kommt ohne Laufzeitverzögerung daher. Miteinander verschränkte Photonen (oder andere Teilchen) teilen -IMMER- die gleichen Eigenschaften, auch auf sehr große Entfernung. Theoretisch könnte ein Photon hier auf der Erde, das andere 5 Lichtjahre entfernt auf einem Raumschiff im "Quantenkommunikationsempfänger" installiert sein, beide sind miteinander verschränkt, schon wäre Überlichtkommunikation möglich. Allerdings wäre da noch die Frage zu klären, wie das vernünftig ausgelesen werden soll ... Schmidt's Katze?
PiJ 13.01.2011
3. nö
Zitat von Ary"Sie [Quantenkommunikation] ist absolut abhörsicher." Völlig 'losgelöst' von der Erde diese Aussage Ohne jegliche Physikkenntnisse sagt mir die Logik da was anderes...
Und genau darum sollten Sie mit Kommentaren vorsichtig sein.
psycho_moni 13.01.2011
4. naja ...
Zitat von Ary"Sie [Quantenkommunikation] ist absolut abhörsicher." Völlig 'losgelöst' von der Erde diese Aussage Ohne jegliche Physikkenntnisse sagt mir die Logik da was anderes...
Also wenn man zuguckt wie jemand etwas in einen völlig abhörsicheren Computer mit Quantenübertrarung eintippt, hat man die Abhörsicherheit natürlich umgangen. Die Quantenmechanik ist was sehr abgefahrenes und schwer vollstellbares, da wird Logik scheinbar widersprochen. (Zitat Nils Bohr: Wer von der Quantentheorie nicht schockiert ist, hat sie nicht verstanden.) Man kann das Phänomen der Abhörsicherheit nicht eben in einem Artikel erklären, aber ich wüsste nicht dass jemand der Theorie jemals widersprochen hat.
gweihir 13.01.2011
5. Nicht abhoersicher
In der Praxis zeigt sich, das auch Quantenkommunikation (es handelt sich nicht um Kryptographie) regelmaessig duch schwaechen der Implementierung abhoerbar ist. Es zeicht sich, dass korrekte implementieren von Quantenkommunikation extrem schwierig ist und bisher in sicherer und praktisch nutzbarer Form nicht gelungen ist. Daruber hinaus ist unklar, of solch eine sichere Implementierung ueberhaupt moeglich ist. Demgegenueber steht, dass klassiche Cryptographie besser verstanden ist, viel mehr Erfahrung mit ihrem Einsatz besteht, und sehr wohl sicher implementiert werden kann. Jeder der jetzt auf Quantenkommunikation statt klassischer Kryptographie setzt, hat das Problem nicht verstanden. Jeder der ein Quantenkommunikationsprodukt als "absout sicher" anpreist, sagt die Unwarheit. Daruber hinaus kann Quantenkommunikation garnicht ohne klassische Kryptographie betrieben werden, die Datenraten sind zu klein. Also wird ein Schluessel mittels Quantenkommunikation ausgetauscht, und dann mittels Klassicher Cryptographie kommuniziert. Und schliesslich ergibt sich das Problem, das Quantenkommunikation nur fuer Punkt-zu-Punkt Verbindungen geeignet ist. Das bedeutet, fuer jede Kommunikationsstrecke muss ein eigenes Kabel (Glasfaser) zwischen den beiden Kommunikationspartnern liegen. Damit kann nur eine kleine Anzahl von Kommunikationspartnern ueberhaupt mit dieser Technologie kommunizieren. Unter diesen Bedingungen gib es aber einfache und Kostenguenstige Methoden in der klassichem Kryptographie, die sehr, sehr sicher sind. Dazu kommt, dass die unterliegende Physik keineswegs genug gesichert ist, um die fuer sichere Kommunikation notwendigen Garantien zu geben. In der Vergangenheit haben sich Physikalische Theorien praktisch immer als fast richtig erwiesen, mit Ungenauigkeiten und Sondersituationen in denen sie nur noch eingeschraenkt gueltig sind. Es gibt keinen Grund fuer die Quantentheorie anderes zu erwareten. Bei sicherer Kommunikation genuegen bereits kleine Informationslecks um die Sicherheit aufzuheben. Insgedamt kann man sagen, dass man immer wenn wieder Mal zu unrecht behauptet wird, dass Quantenkommunikation "absolut sicher" oder "die Zukunft" sei, sich entweder einer Firma findet, die Geld machen will, oder ein Wissenschaftler, der keine Hemmungen hat, die Unwarheit zu sagen um Publicity oder Forschungsgelder zu bekommen. Quantenkommunikation wird auf absehbare Zeit keine reale Bedeutung erlagnen.
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