Verschränkte Photonendrillinge für mögliche Kryptografieanwendungen

14. April 2017, 10:42
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Mit einem solchen System könnte ein quantenkryptografisches "gemeinsames Geheimnis" zwischen drei Parteien realisiert werden

Die Verschränkung von Photonenpaaren bildet die Grundlage für Quantenteleportation und Quantenkryptografie. Einer internationalen Forschergruppe unter Beteiligung der Universität Innsbruck ist es nun gelungen, drei Photonen miteinander zu verschränken und ihr Zusammenspiel zu analysieren. Ihre Ergebnisse haben sie im Fachjournal "Physical Review Letters" veröffentlicht.

Bei der quantenmechanischen Verschränkung werden die Eigenschaften zweier Lichtteilchen (Photonen) über beliebige Distanzen hinweg untrennbar miteinander verknüpft. Der von Einstein einst als "spukhafte Fernwirkung" abgetane Effekt findet mittlerweile unter anderem Anwendung in der Quantenkryptografie. Mit seiner Hilfe lassen sich Code-Schlüssel auf absolut abhörsichere Weise übermitteln – versucht ein Dritter mitzuhören, schlägt das System sofort Alarm.

Geringe Wahrscheinlichkeit

Technologie zur Erzeugung verschränkter Photonenpaare ist bereits kommerziell erhältlich. Eine mögliche Methode besteht darin, ein Photon mit hoher Energie durch einen "nichtlinearen Kristall" zu schicken, wo es in zwei energieärmere Photonen aufgespalten wird. Im Grunde könnten durch einen ähnlichen Prozess auch verschränkte Photonendrillinge erzeugt werden, die statistische Wahrscheinlichkeit für ein solches Ereignis ist jedoch verschwindend gering.

Forschern um den Österreicher Thomas Jennewein an der University of Waterloo in Kanada ist es kürzlich gelungen, dieses Problem mit einem Trick zu umgehen: Indem sie zwei solche Kristalle hintereinander anordneten, konnten sie eines der vom ersten Kristall erzeugten Photonen ein weiteres Mal aufspalten und so die verschränkten Drillinge erzeugen. "Die effiziente Erzeugung der Photonendrillinge durch unsere kanadischen Kollegen war der Ausgangspunkt für unsere Zusammenarbeit", erklärte Georg Weihs vom Institut für Experimentalphysik der Universität Innsbruck gegenüber der APA. "Allerdings war zu diesem Zeitpunkt noch nicht klar, ob und wie die Photonen tatsächlich miteinander verschränkt waren."

Interferometer

Hier kam ein von den Innsbrucker Physikern entwickeltes Messgerät, ein sogenanntes Interferometer, in dem Photonen gezielt überlagert werden können, ins Spiel. Eigentlich für einen völlig anderen Zweck konzipiert wurde es kurzerhand verpackt und nach Kanada verschickt, wo schließlich gemeinsam die entscheidenden Experimente durchgeführt wurden. "Dabei hat sich herausgestellt, dass es sich um eine echte Dreiphotoneninterferenz handelt", so Weihs. "Das Spannende daran ist, dass die drei Photonen nur gemeinsam interferieren, nicht aber einzeln oder paarweise."

Dem Forscher zufolge wäre es mit einem solchen System etwa möglich, ein "gemeinsames Geheimnis" zwischen drei Parteien zu realisieren, wie es in der Quantenkryptografie heißt. "Man kann sich das vorstellen, wie einen Tresor, der nur unter Verwendung von drei Schlüsseln geöffnet werden kann", erklärte Weihs. "Die Gesetze der Quantenmechanik würden zum einen sicherstellen, dass kein vierter Schlüssel existiert. Darüber hinaus würden sie aber auch verhindern, dass nur zwei der Beteiligten den Dritten hintergehen und den Tresor ohne ihn öffnen." (APA, 14.4. 2017)

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