Wissenschaftler der Universität Warschau haben ein innovatives System zur Quantenschlüsselverteilung (QKD) entwickelt, das auf dem Prinzip des temporalen Talbot-Effekts basiert. Diese Technologie verspricht, die Informationssicherheit in einer Zeit zunehmender Cyberbedrohungen erheblich zu verbessern.
Das Kernstück der Forschung am Institut für Physik der Universität Warschau, geleitet von Dr. Michał Karpiński, ist die Quantenschlüsselverteilung. Diese Methode nutzt einzelne Photonen, um einen sicheren kryptografischen Schlüssel zwischen zwei Parteien zu etablieren. Der neue Ansatz erweitert die Möglichkeiten herkömmlicher QKD-Systeme durch die Nutzung von hochdimensionaler Kodierung, die komplexere Quantenzustände und Zeit-Bin-Superpositionen von Photonen ermöglicht. Die Detektionszeit eines einzelnen Photons in einer solchen Superposition kodiert Informationen in der Phase der Lichtwelle.
Die Inspiration für dieses System stammt aus dem Talbot-Effekt, einem Phänomen der klassischen Optik, das beschreibt, wie sich das Bild eines Beugungsgitters in regelmäßigen Abständen wiederholt. In der zeitlichen Domäne tritt ein analoges Phänomen auf, wenn eine Serie von Lichtpulsen durch ein dispersives Medium wie eine Glasfaser propagiert. Die Analogie zwischen Raum und Zeit ermöglicht die Anwendung des Talbot-Effekts auf einzelne Photonen, was neue Wege zur Verarbeitung von Quantenzuständen eröffnet.
Das Team der Universität Warschau hat ein experimentelles vierdimensionales QKD-System mit handelsüblichen Komponenten konstruiert. Eine wesentliche Neuerung ist die Fähigkeit des Systems, Superpositionen mehrerer Pulse mit nur einem einzigen Photonen-Detektor zu erkennen. Dies reduziert die Komplexität und die Kosten des Messsystems erheblich, da aufwendige Interferometer-Netzwerke und komplexe Kalibrierungsprozesse vermieden werden. Die Effizienz des Systems ist hoch, da alle Photonen-Detektionsereignisse nutzbar sind. Die Forscher bestätigten, dass Fehler die QKD nicht beeinträchtigen. Ein bedeutender Vorteil ist die Möglichkeit, sowohl 2D- als auch 4D-Superpositionen ohne Hardware-Änderungen oder Empfängerstabilisierung zu erkennen.
Die Sicherheit des Systems wurde erfolgreich in Labor-Glasfasern und über mehrere Kilometer in der städtischen Infrastruktur der Universität Warschau getestet. Die Forscher demonstrierten QKD mit zwei- und vierdimensionaler Kodierung, was die höhere Informationseffizienz der hochdimensionalen Kodierung bestätigt. Die theoretische Sicherheit der QKD ist ein großer Vorteil, da sie unter grundlegenden Annahmen beweisbar ist. Eine Schwachstelle in der Standardbeschreibung vieler QKD-Protokolle, die auch diese neue Methode teilt, wurde in Zusammenarbeit mit italienischen und deutschen Forschungsgruppen durch eine Modifikation des Empfängers behoben, die das Sammeln größerer Datenmengen und die Erhöhung der Protokollsicherheit ermöglichte. Die Sicherheitsnachweise für das neue Protokoll wurden in der Fachzeitschrift Physical Review Applied veröffentlicht.
Diese Fortschritte stellen einen wichtigen Schritt in Richtung der praktischen Implementierung von Quantenkryptographie dar und könnten die Sicherheit der Datenübertragung in städtischen Umgebungen erheblich stärken. Die Anwendung des temporalen Talbot-Effekts stellt dabei einen eleganten und skalierbaren Ansatz dar, um die Herausforderungen der hochdimensionalen Quantenkodierung zu meistern und die Datensicherheit auf ein neues Niveau zu heben. Die Universität Warschau positioniert sich damit an der Spitze dieser technologischen Entwicklung, die das Potenzial hat, die digitale Welt sicherer zu machen.