Chip, der vier Photonen verschränkt, eröffnet Möglichkeit einer unantastbaren Quantenverschlüsselung

Im Gegensatz zur klassischen Verschlüsselung, die auf mathematischen Algorithmen beruht, gewährleistet die Quantenverschlüsselung Sicherheit auf der Grundlage physikalischer Prinzipien. Die Erkennung von Spionage oder Manipulation wird durch eine unvermeidliche Veränderung der beteiligten Quantenzustände gewährleistet.

Vergleiche zwischen den beiden Systemen liefern beeindruckende Ergebnisse. Während klassische Supercomputer heute Tausende von Jahren brauchen würden, um starke Verschlüsselungen zu knacken, wird es mit ausreichend leistungsstarken Quantencomputern möglich sein, dieselben Codes in Sekundenschnelle zu entziffern.

„Dies unterstreicht die dringende Notwendigkeit, Quantensicherheitsprotokolle zu entwickeln und zu implementieren, die gegen solche Fähigkeiten immun sind“, sagte Paulo Henrique Dias Ferreira, Forscher am Institut für Physik der Bundesuniversität von São Carlos (UFSCar) im brasilianischen Bundesstaat São Paulo.

Während eines Postdoc-Praktikums an der Polytechnischen Universität Mailand in Italien arbeitete Ferreira mit der Gruppe von Professor Roberto Osellame zusammen und trug maßgeblich zur Erzeugung und Charakterisierung von verschränkten Vier-Photonen-GHZ-Zuständen (Greenberg-Horne-Zeilinger) auf einem photonischen Chip bei. Die Forschung ist veröffentlicht im Journal npj Quanteninformationen.

„Die Studie kombinierte Quantenpunkttechnologie mit photonischen Glasschaltkreisen, was einen Meilenstein in der Geräteverbesserung und -integration darstellt und neue Möglichkeiten für eine sichere und effiziente Quantenkommunikation eröffnet“, sagte Ferreira.

Im Bereich der Quanteninformationstheorie ist ein GHZ-Zustand eine Art verschränkter Zustand, der mindestens drei Subsysteme (Teilchenzustände, Qubits oder Qudits) umfasst. Er wurde erstmals Ende der 1980er Jahre von Daniel Greenberger, Michael Horne und Anton Zeilinger untersucht. In dieser Studie wurden die Schaltkreise durch Femtosekunden-Laserbearbeitung auf einen Glaschip geschrieben, wodurch dreidimensionale (3D) Wellenleiter entstanden, die eine präzise Photonenmanipulation ermöglichten.

„Wir haben uns für die Produktion mit einer Glasmatrix entschieden, da sich hiervon leicht Prototypen herstellen lassen. Darüber hinaus entstehen bei der Fertigung in einem einzigen Schritt dreidimensionale Wellenleiter, anders als bei herkömmlicher Lithografie oder Elektronenstrahlschreiben. Die durch thermische Schieber erreichte Rekonfigurierbarkeit der Schaltkreise ermöglicht eine Feinabstimmung der optischen Phasen der Photonen, was für die gewünschte Überlappung unerlässlich ist“, sagte Ferreira.

Er verwendete eine Analogie, um zu erklären, wie das Gerät seine kryptografische Funktion erfüllt. „Stellen Sie sich vor, Sie haben vier Münzen. Im Normalzustand kann jede Münze unabhängig voneinander Kopf oder Zahl zeigen, wenn sie zufällig geworfen wird, aber im verschränkten GHZ-Zustand sind alle vier Photonen auf besondere Weise miteinander verbunden: Bei der Beobachtung zeigen alle Münzen Kopf oder Zahl, und eine gemischte Kombination tritt nie auf.

„Dieser Zustand kann mathematisch als Quantenüberlappung beschrieben werden, bei der jedes Photon mit den anderen drei verschränkt ist, ohne klassisches Analogon. Die Verbindung ist so stark, dass man, wenn man ein Photon verifiziert, sofort den Zustand der anderen drei kennt, egal wie groß die Entfernung zwischen ihnen ist. In der Münzanalogie: Sobald man herausgefunden hat, dass eine Münze Kopf hat, [and not tails]alle anderen müssen Köpfe sein“, sagte er.

Das Phänomen kann genutzt werden, um Quantensysteme zum Teilen von Geheimnissen zu implementieren, in denen ein Regulator einen Schlüssel sicher mit mehreren Teilnehmern teilt. Jeder Versuch eines unbefugten Zugriffs verändert die Quantenkorrelationen und ermöglicht eine sofortige Erkennung.

„Wenn ein Eindringling beispielsweise versucht, den Zustand eines der Teilchen zu messen, um Informationen über den Schlüssel zu erhalten, wird die Messung unvermeidlich den Quantenzustand dieses Teilchens zum Kollaps bringen und die ursprüngliche Quantenkorrelation zwischen allen beteiligten Teilchen verändern. Wenn die legitimen Teilnehmer des Protokolls einen Teil ihrer Daten vergleichen, können sie durch diese Interferenz verursachte Diskrepanzen erkennen“, erklärte er.

Laut Ferreira wird die Nutzung von GHZ-Zuständen bei kommerziellen Transaktionen nicht nur die Sicherheit der Kommunikation erhöhen, sondern auch einen robusten Mechanismus zur Erkennung von Eindringlingen bieten, der für den Schutz sensibler Daten in einer zunehmend digitalen und vernetzten Welt von entscheidender Bedeutung ist.

„Quantensysteme, die GHZ-Zustände und andere Verschränkungsprotokolle verwenden, bieten eine Lösung, die selbst von den fortschrittlichsten Quantencomputern nicht geknackt werden kann, da jeder Versuch, in einen Quantenkanal einzugreifen, den Zustand der beteiligten Teilchen verändert und so eine sofortige Erkennung jedes Eindringlings ermöglicht“, sagte er.

Der Artikel demonstriert die Machbarkeit der Erzeugung hochpräziser verschränkter GHZ-Zustände in einem photonischen Chip und ebnet so den Weg für die Produktion von Quantengeräten im großen Maßstab.

„Mit kontinuierlichen Fortschritten können wir erwarten, dass diese Systeme in Kommunikations- und Computerinfrastrukturen integriert werden und zu einer neuen Ära der Sicherheit und Effizienz führen werden“, sagte er.