Quantenkommunikation und Verschränkung
Die Quantenkommunikation nutzt Eigenschaften der Quantenunschärfe, um abhörsichere Kommunikationsnetzwerke aufzubauen. Eine wichtige Rolle spielen dabei verschränkte Zustände des Lichts. Sind zwei Lichtstrahlen mit einander verschränkt, so macht sich dieses durch Korrelationen in ihren Unschärfen bemerkbar. Teilen sich „A“ und „B“ ein verschränktes System, so ergeben Messungen an den Teilsystemen zum einen echt zufällige Messergebnisse, zum anderen zeigen sich gemeinsame Muster in den Zufallsergebnissen. Die Abbildung rechts illustriert diesen Sachverhalt an zwei fiktiven Würfeln, die ungezinkt sein sollen und somit zufällig fallen, aber trotzdem immer identische Augenzahlen zeigen. (Bem.: Ein Wurf entspricht hier einer Messung. Vor jeder Messung müssen die Würfel wieder erneut verschränkt werden.)
Verschränkte Zustände des Lichts sind ideal, um einen Quantenschlüssel für die Quantenkryptographie zu verteilen. Die Eigenschaft der Verschränkung liefert für Messungen bei „A“ und bei „B“ echte Zufälligkeit, gleichzeitig aber auch die Übereinstimmung der Schlüsselketten, und drittens die Möglichkeit potenzielle Abhörversuche zu erkennen. Letzteres wird dadurch möglich, dass Abhörversuche (zu einem Teil) die Verschränkung stören und dadurch Spuren hinterlassen.
Wir hatten 2015 die derzeit fortschrittlichste Quantenschlüsselverteilung basierend auf Amplituden- und Phasenmodulationen des Lichts demonstriert. Unsere Implementierung basiert auf stark Einstein-Podolsky-Rosen-verschränktes Licht [1] und ist absolut sicher gegen Abhörversuche, auch gegen solche, die möglicherweise erst zukünftig erfunden werden. Dieser Sicherheit liefert ein mathematischer Beweis auf Grundlage der Quantentheorie. Aus den Messdaten bei „A“ und „B“ wurde ein echt zufälliger und abhörsicherer Schlüssel mit einer Länge von über 108 Nullen und Einsen erzeugt. Das Besondere an unserer Implementierung war die Sicherheit gegen jegliche Angriffe auf den Kommunikationskanal (einschließlich Angriffe zukünftiger Technologien) sowie die Sicherheit gegen alle Angriffe auf die Geräte am Empfängerstandort [2].
Zurzeit wird umfangreiche Forschung im Rahmen der Quantenkommunikation betrieben. Ein wesentliches Problem ist die Dekohärenz, die bei der Übertragung die Verschränkung reduziert und Quantenkommunikation schließlich unmöglich macht. 2008 konnten wir erstmalig eine Zwei-Kopien-Destillation von Verschränkung zeigen [3]. Auch die Grundlagenforschung an der Natur von verschränkten Systemen zeigt nach wie vor überraschende Ergebnisse. In unserer Arbeit [4] konnten wir zeigen, dass es verschränkte Systeme gibt, die Schrödingers „Steering“-Effekt nur in einer Richtung erlauben. Ob dieses Ergebnis zu einer Anwendung in der Quantenkommunikation führen wird, ist derzeit noch Gegenstand der Forschung. In [5] haben wir erstmalig die Quasiwahrscheinlichkeitsdichteverteilung der elektrischen Feldstärke eines Ein-Photonen-Fockzustands bei der Telekommunikationswellenlänge von 1550 nm gemessen. Wie von der Quantentheorie vorhergesagt, ergeben sich negative(!) Werte (Abb.). In [6] haben wir aus einer großen Zahl nur wenig-gequetschter Zustände, eine geringe Zahl stärker gequetschter Zustände „destilliert“. Zum Einsatz kam eine hocheffiziente Photonenzählanlage.
[1] T. Eberle, V. Händchen, R. Schnabel, Stable control of 10 dB two-mode squeezed vacuum states of light, Opt. Exp. 21, 11546 (2013).
[2] T. Gehring, V. Händchen, J. Duhme, F. Furrer, T. Franz, C. Pacher, R. F. Werner, R. Schnabel, Implementation of continuous-variable Quantum Key Distribution with composable and one-sided-device-independent security against coherent attacks, Nature Communication 6, 8795 (2015).
[3] B. Hage, A. Samblowski, J. DiGuglielmo, A. Franzen, J. Fiurásek, R. Schnabel, Preparation of distilled and purified continuous variable entangled states, Nature Physics 4, 915 (2008).
[4] V. Händchen, T. Eberle, S. Steinlechner, A. Samblowski, T. Franz, R. F. Werner and R. Schnabel, Observation of one-way Einstein-Podolsky-Rosen steering, Nature Photonics 6, 596 (2012).
[5] C. Baune. J. Fiurasek, R. Schnabel, Negative Wigner function at telecommunication wavelength from homodyne detection, Phys. Rev. A 95, 061802(R) (2017).
[6] S.Grebien, J. Göttsch, B. Hage, J. Fiurášek, R. Schnabel, Multistep Two-Copy Distillation of Squeezed States via Two-Photon Subtraction, Phys. Rev. Lett. 129, 273604 (2022).