Quantenkommunikation mit Licht

Christine Silberhorn
12. Dezember 2008

Der Begriff Quantenkommunikation deutet bereits an, dass die Thematik sich im Grenzbereich zwischen zwei Forschungsgebieten befindet. Unter Kommunikation versteht man allgemein die Übertragung von Information zwischen einem Sender und einem Empfänger. Werden hierbei als Informationsträger Quantenzustände verwendet, so spricht man von Quanteninformation.

Zum Verständnis der Besonderheiten der Quantenkommunikation mit Licht ist es zunächst notwendig, die speziellen Charakteristika von Quantenlicht kennen zu lernen. Licht-Quanten kennt man als Photonen, für deren Energie nur diskrete Niveaus möglich sind und damit als unteilbar angenommen werden müssen. Daraus ergibt sich unmittelbar die Frage, wie sich diese Photonen an

einem Strahlteiler, der in der klassischen Optik die Energie einfallenden Lichtes stets im vorgegebenen Verhältnis teilt, verhalten. Es zeigt sich hierbei, dass dadurch Überlagerungszustände entstehen, die generell in der Quantenphysik wichtige Bausteine darstellen und zu klassisch ungewöhnlichen Schlussfolgerungen führen. Ein anderes Beispiel wie in der Quantenoptik Überlagerungszustände experimentell zu realisiert werden können ist durch die Beobachtung der Polarisation der Photonen, d.h. der Schwingungsebene der zugehörigen elektromagnetischen Wellen, gegeben. Diese wird typischerweise zur Kodierung von Quanteninformation verwendet.

Die Quantenkryptographie als eine spezielle Anwendung aus der Quantenkommunikation macht sich die Besonderheit von Quantenzuständen zu Nutze, dass diese lediglich eine einziges Mal ausgelesen werden kann. Damit kann erreicht werden,

dass ein absolut geheimer Schlüssel von einem Sender zu einem Empfänger übermittelt wird, wobei sichergestellt ist, dass kein Abhörer dieser Bitfolge gelauscht haben kann. Dies erlaubt letztendlich einen sicheren Informationsaustausch, der mit klassischen Signalen beweisbar unmöglich ist.

Zur Implementierung der Konzepte der Quanteninformation in praktischen Aufbauten benötigt man allerdings Systeme, die es erlauben möglichst genau definierte Quantenzustände zu charakterisieren, zu erzeugen und diese auch gezielt zu manipulieren. Einfache Beispiele sind hierbei bereits die Präparation von Zustanden die tatsächlich genau ein Energie-Quant, sprich ein Photon enthalten, sowie die Detektion von Photonenstatistiken, wobei die Nachweisgenauigkeit hinreichend gut ist um zwischen kleinen Photonenzahlen 0, 1, 2 oder 3 unterscheiden zu können.