Ein bedeutender Fortschritt wurde in der Quantenkommunikation erreicht. Forschende der Leibniz Universität Hannover und Partnern gelang es erstmals, eine Quantenschlüsselverteilung (QKD) über 79 km zwischen Hannover und Braunschweig durchzuführen. Dabei nutzten sie eine innovative Einzelphotonenquelle auf Basis von Quantenpunkten, die in einem speziellen Bragg-Gitter eingebettet war. Diese Quelle erzeugt einzelne Photonen im Telekommunikations-C-Band, die für die sichere Datenübertragung verwendet werden.
Das Experiment demonstrierte nicht nur die Machbarkeit von QKD über große Entfernungen, sondern auch die Effizienz dieser neuen Technologie. Die Photonen wurden über ein 79 km langes Glasfaserkabel zwischen den beiden Städten geschickt. Ein entscheidender Faktor für den Erfolg war die hohe Reinheit und Helligkeit der Photonen, die vom Quantenpunkt emittiert wurden. Die Quantenpunkte fungieren als künstliche Atome, die auf Abruf einzelne Photonen aussenden, was eine besonders präzise Steuerung ermöglicht. Ein weiterer technischer Meilenstein war die Nutzung eines Bragg-Gitters zur Verstärkung des Photonensignals. Dieses Gitter verbessert die Lichtemission des Quantenpunkts und sorgt dafür, dass die Photonen zuverlässig und mit geringer Fehlerquote übertragen werden. So konnte eine außergewöhnlich niedrige Fehlerrate von unter 1 % erreicht werden, was das System für den Einsatz in sicherheitskritischen Anwendungen attraktiv macht. Dieser Erfolg legt den Grundstein für zukünftige großflächige und abhörsichere Quantenkommunikationsnetzwerke.
Das Besondere an diesem Experiment ist die Verwendung künstlicher Atome, die aufgrund ihrer Stabilität und Effizienz bei der Emission von Einzelphotonen über weite Entfernungen als Schlüsseltechnologie für die Quantenkommunikation gelten. Zudem gelang es den Forschenden, die Polarisation dieser Photonen so präzise zu steuern, dass Störungen minimiert wurden, was zu einer extrem niedrigen Bitfehlerrate führte. Durch den Einsatz von Quantenpunkten im Telekommunikations-C-Band konnte die verlustfreie Übertragung über Glasfasern optimiert werden, da dieser Frequenzbereich ideal für die minimalen Dämpfungsverluste in herkömmlichen Telekommunikationsnetzen ist.
Dieser Erfolg legt den Grundstein für zukünftige großflächige und abhörsichere Quantenkommunikationsnetzwerke, die nicht nur in der Wissenschaft, sondern auch in der Industrie und im Finanzsektor von großer Bedeutung sein könnten. Dank dieser neuen Technologie werden sichere und schnelle Datenverbindungen über große Distanzen bald eine Realität sein, was die Sicherheit moderner Kommunikationsnetze erheblich verbessern wird.
Quellen:
Yang, J., Jiang, Z., Benthin, F. et al. (2024). High-rate intercity quantum key distribution with a semiconductor single-photon source. Light: Science&Applications 13, 150.
