04 Juli Quantenkommunikation auf dem Weg in die Praxis
Damit Quantenkommunikation nicht nur im Labor funktioniert, sondern auch unter Realbedingungen einsetzbar ist, müssen noch grundlegende technische Hürden überwunden werden. Zwei davon haben Forschende aus Deutschland und Kanada gemeinsam mit einem internationalen Team untersucht: Wie lässt sich mehr Information pro Lichtteilchen übertragen? Und wie bleibt das Signal auch über große Entfernungen hinweg stabil – trotz der physikalischen Effekte, die bei der Ausbreitung durch Glasfasern auftreten?
Professor Mario Chemnitz erforscht am Leibniz-IPHT in Jena neue Ansätze, um die sichere Quantenkommunikation über Glasfaser in praktische Anwendungen zu überführen. Bild: Stela Todorova / Leibniz-IPHT
Höhere Datenraten: Time-Bin-Kodierung
Ein zentraler Ansatzpunkt ist die sogenannte Zeit-Bin-Kodierung: Dabei tragen Photonen Information über ihre exakte Ankunftszeit – also darüber, in welchem winzigen Zeitfenster (Time Bin) sie detektiert werden. Bisher waren meist nur zwei Zeitfenster unterscheidbar. Das Forschungsteam entwickelte nun eine photonische Plattform, die bis zu acht solcher Time Bins pro Photon gleichzeitig nutzen kann und damit die Datenrate deutlich erhöht.
„Man kann sich das wie ein Schubladensystem vorstellen“, erklärt Professor Mario Chemnitz vom Leibniz-Institut für Photonische Technologien (Leibniz-IPHT) und der Friedrich-Schiller-Universität Jena. „Statt nur einer Schublade lassen sich nun mehrere parallel öffnen – dadurch können mehr Informationen gleichzeitig übertragen werden.“
Photonischer Chip als Plattform
Die Plattform wurde im Rahmen einer Studie entwickelt, die vom Institut National de la Recherche Scientifique (INRS) in Kanada und dem Leibniz-IPHT geleitet wurde. Sie basiert auf einem eigens entworfenen photonischen Chip mit winzigen Interferometern aus Siliziumnitrid, einem Material, das sich besonders gut für integrierte Lichtführung eignet. Diese Struktur erzeugt und verarbeitet verschränktes Licht auf kleinstem Raum und nutzt dabei Standardkomponenten aus der Telekommunikation. Das System wurde nach Angaben der Forschenden erfolgreich über 60 Kilometer Glasfaser getestet – eine typische Entfernung zwischen zwei Netzknoten. In Zukunft könnten damit mehr Nutzende gleichzeitig kommunizieren – sicher und mit hoher Datenrate.
Stabil über weite Strecken
Eine zweite Herausforderung, die adressiert wurde: Mit wachsender Entfernung wird das Signal anfälliger – unter anderem durch Dispersion, einen physikalischen Effekt, der Lichtpulse zeitlich auseinanderzieht. Das erschwert die präzise Unterscheidung der Zeitfenster. Dieser Effekt lässt sich kompensieren: Das Team analysierte dafür nicht nur den Abstand zweier Photonen, sondern auch ihre gemeinsame Ankunftszeit. Diese sogenannte Summenkorrelation bleibt auch bei starker Dispersion stabil und konnte nun erstmals gezielt genutzt werden. So ließ sich die Reichweite einer verschlüsselten Quantenverbindung auf bis zu 200 Kilometer Glasfaseräquivalent mit höherer Signalqualität und Sicherheit erweitern, berichten die Forschenden.
Von der Grundlagenforschung zur Anwendung
Die beiden Ansätze greifen ineinander: Während der eine die Informationsmenge erhöht, sorgt der andere für mehr Stabilität. „Wir arbeiten daran, Quantenkommunikation praxistauglich zu machen – mit Systemen, die sich in bestehende Glasfasernetze integrieren lassen“, fasst Chemnitz zusammen. Für ihn steht das Zusammenspiel von Grundlagenforschung und technischer Anwendung im Mittelpunkt: „Was wir entwickeln, soll sich irgendwann auch im Alltag bewähren – in der Diagnostik, in der Kommunikation, vielleicht sogar in autonomen Sensoren.“
Originalpublikationen:
[Yu, H., Sciara, S., Chemnitz, M., Montaut, N., Crockett, B., Fischer, B., Helsten, R., Wetzel, B., Goebel, T. A., Krämer, R. G., Little, B. E., Chu, S. T., Nolte, S., Wang, Z., Azaña, J., Munro, W. J., Moss, D. J., & Morandotti, R. (2025). Quantum key distribution implemented with d-level time-bin entangled photons. Nature Communications, 16, Article 171. DOI: https://doi.org/10.1038/s41467-024-55345-0]
[Yu, H., Crockett, B., Montaut, N., Sciara, S., Chemnitz, M., Chu, S. T., Little, B. E., Moss, D. J., Wang, Z., Azaña, J., & Morandotti, R. (2025). Exploiting nonlocal correlations for dispersion-resilient quantum communications. Physical Review Letters, 133(20), 200601. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.134.220801]
Quelle: www.leibniz-ipht.de
Bild: Stela Todorova / Leibniz-IPHT