Physiker entwickeln neue Photonenquelle für abhörsichere Kommunikation

Physiker entwickeln neue Photonenquelle für abhörsichere Kommunikation

Physik-News vom 27.03.2020

Ein internationales Team unter Beteiligung von Prof. Dr. Michael Kues vom Exzellenzcluster PhoenixD der Leibniz Universität Hannover hat eine neue Methode zur Erzeugung quantenverschränkter Photonen in einem zuvor nicht zugänglichen Spektralbereich des Lichts entwickelt. Die Entdeckung kann die Verschlüsselung von satellitengestützter Kommunikation künftig viel sicherer machen.

Ein 15-köpfiges Forscherteam aus Großbritannien, Deutschland und Japan hat eine neue Methode zur Erzeugung und zum Nachweis quantenverstärkter Photonen bei einer Wellenlänge von 2,1 Mikrometern entwickelt. In der Praxis kommen verschränkte Photonen bei Verschlüsselungsverfahren wie dem Quantenschlüsselaustausch zur Anwendung, um die Telekommunikation zwischen zwei Partnern gegen Abhörversuche vollkommen zu sichern. Die Forschungsergebnisse werden erstmals in der aktuellen Ausgabe von „Science Advances“ der Öffentlichkeit vorgestellt.


Erzeugung von polarisationsverschränkten Photonenpaaren bei einer Wellenlänge von 2,1 Mikrometern.

Publikation:


S. Prabhakar, T. Shields, A. C. Dada, M. Ebrahim, G. G. Taylor, D. Morozov, K. Erotokritou, S. Miki, M. Yabuno, H. Terai, C. Gawith, M. Kues, L. Caspani, R. H. Hadfield, M. Clerici
Two-photon quantum interference and entanglement at 2.1 micrometer
Science Advances 6, eaay5195 (2020)

DOI: 10.1126/sciadv.aay5195



Bislang war es technisch nur möglich, solche Verschlüsselungsmechanismen mit verschränkten Photonen im Nahinfrarot-Bereich von 700 bis 1550 Nanometern umzusetzen. Diese kürzeren Wellenlängen bringen jedoch Nachteile gerade in der satellitengestützten Kommunikation: Sie werden durch Licht absorbierende Gase in der Atmosphäre sowie die Hintergrundstrahlung der Sonne gestört. Eine Ende-zu-Ende-Verschlüsselung der übertragenen Daten kann mit der bisherigen Technologie somit überwiegend nur nachts, aber nicht an sonnigen und wolkigen Tagen gewährleistet werden.

Dieses Problem will das internationale Team, geleitet von Dr. Matteo Clerici von der Universität Glasgow, mit seiner Neuentdeckung künftig lösen. Denn die bei zwei Mikrometern verschränkten Photonenpaare würden deutlich weniger durch Sonnenstrahlung beeinflusst werden, sagt Prof. Dr. Michael Kues vom Exzellenzcluster PhoenixD der Leibniz Universität Hannover. Zudem existieren in der Erdatmosphäre gerade für Wellenlängen von zwei Mikrometern sogenannte Transmissionsfenster, sodass die Photonen von den atmosphärischen Gasen nicht so stark absorbiert werden und eine effektivere Kommunikation stattfinden kann.


Prof. Dr. Michael Kues ist Professor am Hannoverschen Zentrum für Optische Technologien (HOT) und Mitglied im Exzellenzcluster PhoenixD.

Für ihr Experiment nutzten die Forschenden einen nichtlinearen Kristall aus Lithiumniobat. Sie sandten ultrakurze Lichtpulse eines Lasers durch den Kristall und erzeugten so die verschränkten Photonenpaare mit der neuen Wellenlänge von 2,1 Mikrometern. Die im Fachjournal „Science Advances“ veröffentlichten Forschungsergebnisse beschreiben die Details des experimentellen Systems und die Verifikation der verschränkten Photonenpaare. „Der nächste entscheidende Schritt wird es sein, dieses Verfahren zu miniaturisieren, indem es in photonische integrierte Systeme umgesetzt wird, um es massenproduktionstauglich zu machen und es künftig in anderen Anwendungszenarien einzusetzen“, sagt Kues.

Nach Studium und Promotion im Fach Physik an der Westfälischen Wilhelms-Universität Münster arbeitete Kues am Institut National de la Recherche Scientifique – Centre Énergie Matériaux et Télécommunications (Kanada). Dort leitete er vier Jahre lang die Arbeitsgruppe „Nonlinear integrated quantum optics“. Danach wechselte er an die University of Glasgow und schloss sich dem internationalen Team um Dr. Matteo Clerici an. Seit Frühjahr 2019 ist Kues Professor am Hannoverschen Zentrum für Optische Technologien (HOT) der Leibniz Universität Hannover und erforscht im Exzellenzcluster PhoenixD die Entwicklung von photonischen Quantentechnologien mittels der Mikro- und Nanophotonik. Kues möchte sein fünfköpfiges Forschungsteam vergrößern und hat aktuell zwei Positionen für wissenschaftliche Mitarbeitende (Promotionsstellen) ausgeschrieben (www.phoenixd.uni-hannover.de).




Info
Der Exzellenzcluster PhoenixD

Der Exzellenzcluster PhoenixD der Leibniz Universität Hannover wird in den Jahren 2019 bis 2025 mit rund 52 Millionen Euro vom Bund und dem Land Niedersachsen über die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Kooperationseinrichtungen des Clusters sind die Technische Universität Braunschweig, das Max-Planck-Institut für Gravitationsphysik (Albert-Einstein-Institut), die Physikalisch-Technische Bundesanstalt und das Laser Zentrum Hannover e.V. Mehr als 100 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Fachdisziplinen Physik, Maschinenbau, Elektrotechnik, Chemie, Informatik und Mathematik forschen dort fachübergreifend. Der Cluster lotet die Möglichkeiten aus, die sich durch die Digitalisierung für neuartige optische Systeme sowie ihre Fertigung und Anwendung ergeben.

Am 20. Oktober 2020 veranstaltet der Cluster den PhoenixD Laser Day in der Leibniz Universität Hannover. Auf der eintägigen Konferenz werden Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Fachgebiets Optik und Photonik aus den USA, Australien, Europa und Deutschland ihre Forschungsergebnisse vorstellen. Mehr Informationen:

phoenixd.uni-hannover.de

Diese Newsmeldung wurde mit Material der Leibniz Universität Hannover via Informationsdienst Wissenschaft erstellt



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E
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Internationales Physiker-Team schaltet Quantenbits schneller als eine Lichtschwingung
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Festkörperphysik - Quantenoptik
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Festkörperphysik - Quantenoptik
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Materialwissenschaftler der Universität Jena gestalten Oberfläche winziger, gekrümmter Kohlenstofffasern durch Laserstrukturierung
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Quantenoptik
Ultrakurze Laserpulse machen Treibhausgas reaktionsfreudig
Es ist ein lang gehegter Traum: Das träge Treibhausgas Kohlendioxid aus der Atmosphäre entfernen und es als Grundstoff für die chemische Industrie nutzen.
26.02.2018
Optik - Quantenphysik - Quantenoptik
Quantenbits per Licht übertragen
Physiker aus Princeton, Konstanz und Maryland koppeln Quantenbits und Licht
26.02.2018
Quantenphysik - Quantenoptik
Auf dem Weg zum Quantencomputer: Weltweit erstes schaltbares Quanten-Metamaterial untersucht
Quantencomputer können eine große Zahl an Rechenoperationen gleichzeitig ausführen.
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Quantenoptik
Wesentliche Quantencomputer-Komponente um zwei Größenordnungen verkleinert
Forscher am IST Austria haben kompakte nichtmagnetische Photonenrouter entwickelt. Die mikrometergroßen Bauelemente leiten Mikrowellenphotonen unidirektional und können Qubits vor schädlichem Rauschen schützen.
06.11.2017
Quantenoptik
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Die wissenschaftliche Arbeit von Kaufmann et al. ist im internationalen renommierten Journal Physical Review Letters 119, 150503 erschienen und stellt einen wichtigen Meilenstein zur Realisierung eines zukünftigen Quantencomputers dar.
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Astrophysik - Quantenoptik
Im Neptun regnet es Diamanten: Forscherteam enthüllt Innenleben kosmischer Eisgiganten
Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf (HZDR) konnten mit Kollegen aus Deutschland und den USA zeigen, dass sich in den Eisriesen unseres Sonnensystems „Diamantregen“ bildet.
03.08.2017
Quantenoptik - Teilchenphysik
Mit Quantencomputern komplexe chemische Prozesse aufklären
Wissenschaft und Computerindustrie setzen grosse Hoffnungen auf Quantencomputer, mögliche Anwendungen beschreiben sie aber meist nur vage. Anhand eines konkreten Beispiels zeigen Wissenschaftler der ETH Zürich nun, was künftige Quantencomputer tatsächlich zu leisten vermögen.
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Quantenoptik
Ruckartige Bewegung schärft Röntgenpulse
Spektral breite Röntgenpulse lassen sich rein mechanisch „zuspitzen“.
27.07.2017
Elektrodynamik - Quantenoptik
Physiker designen ultrascharfe Pulse
Quantenphysiker um Oriol Romero-Isart haben einen einfachen Aufbau entworfen, mit dem theoretisch beliebig stark fokussierte elektromagnetische Felder erzeugt werden können. Anwendung finden könnte das neue Verfahren zum Beispiel in der Mikroskopie oder für besonders empfindliche Sensoren.
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Quantenoptik
Laser World of Photonics 2017: Fraunhofer IOF präsentiert neue Technologie für Quantenkommunikation
In naher Zukunft wird Quantenkryptographie ein wichtiges Thema für die sichere Übertragung von Kommunikation spielen.
30.06.2017
Quantenoptik
Der schärfste Laserstrahl der Welt
Physikalisch-Technische Bundesanstalt entwickelt einen Laser mit nur 10 mHz Linienbreite
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Quantenphysik - Quantenoptik
Qualitätskontrolle für Quantensimulatoren
Wissenschaftler der FU Berlin, der Universidade Federal do Rio de Janeiro und des MPQ entwickeln neues Verfahren für die Zertifizierung photonischer Quantensimulatoren

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Monde - Astrophysik
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Was lässt die Oberfläche des Mars-Monds Phobos verwittern? Ergebnisse der TU Wien liefern wichtige Erkenntnisse, bald soll eine Weltraummission Gesteinsproben nehmen.