Forschende entwickeln neue Methode für Quantenkommunikation

Forschende der Universitäten Graz und Wien sowie der Technischen Universität München haben eine neue Simulationsmethode entwickelt, die einen wichtigen Schritt für die Entwicklung abhörsicherer Quantenkommunikation darstellen könnte. Die Ergebnisse wurden im Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.

Quantenlicht besser simulieren

Im Zentrum der Arbeit steht die Frage, wie sich Eigenschaften von Quantenlicht mit klassischen Rechenmodellen abbilden lassen. Während herkömmliche Simulationen die Ausbreitung von Licht in Materialien sehr genau berechnen können, stoßen sie bei quantenmechanischen Effekten an Grenzen. Besonders das sogenannte Quantenrauschen, also winzige, unvermeidbare Schwankungen des Lichtfelds, ließ sich bisher nur unzureichend in klassischen Modellen berücksichtigen.

Rauschen als Schlüssel

Das Forschungsteam entwickelte einen Ansatz, bei dem gezielt erzeugtes Rauschen in klassische Lichtsimulationen eingebaut wird. Dieses Rauschen enthält entscheidende Informationen über die quantenmechanischen Eigenschaften des Lichts. Damit wird das Rauschen nicht als Störfaktor betrachtet, sondern als zentrales Element der Berechnung. So können klassische Simulationsprogramme erweitert werden, um auch quantenoptische Effekte besser zu erfassen. „Simulationsprogramme, wie wir sie aus der klassischen Physik kennen, können zwar sehr genau berechnen, wie Licht durch nanostrukturierte Materialien läuft. Was sie aber nicht ausreichend erfassen, ist das sogenannte Quantenrauschen – winzige Schwankungen des Lichtfelds, die sich klassisch nicht beschreiben lassen und die den eigentlich quantenhaften Charakter des Lichts ausmachen“, erklärt Felix Hitzelhammer, Doktorand am Institut für Physik der Universität Graz und Erstautor des Artikels. 

Test am „Mollow-Triplet“

Überprüft wurde die Methode am sogenannten „Mollow-Triplet“, einem bekannten Testfall der Quantenoptik. Dieses charakteristische Spektrum entsteht bei starker Anregung eines Quantensystems mit Laserlicht und gilt als anspruchsvoller Prüfstein für theoretische Modelle. Die Simulationsergebnisse zeigten dabei eine sehr gute Übereinstimmung mit experimentellen Messungen an Halbleiter-Quantenpunkten aus Indiumgalliumarsenid.

Potenzial für Quanten-Technologien

Auch wenn es sich derzeit noch um einen Machbarkeitsnachweis handelt, sehen die Forschenden großes Potenzial. Die Methode könnte künftig die Entwicklung von Bauelementen für Quantencomputer, Quantensensoren und insbesondere für abhörsichere Quantenkommunikation erleichtern. Statt vollständig auf komplexe Quantenmodelle angewiesen zu sein, könnten bestimmte Eigenschaften von Quantenlicht künftig effizienter in klassischen Simulationen berechnet werden – durch gezielt eingesetztes Rauschen.