Newsletter Uni Tübingen aktuell Nr. 2/2020: Forschung
Quantenphysik: Innovations-Oscar für neue Methode zur sicheren Datenübertragung
Tübinger Kooperationsprojekt mit dem Berkeley Lab erhält R&D 100 Award 2020
Nachwuchsgruppenleiter Dr. Alexander Stibor und seine Doktoranden Robin Röpke und Nicole Kerker haben für die Entwicklung einer völlig neuen Methode zur sicheren Datenübertragung auf quantenphysikalischer Basis einen der renommierten Innovationspreise R&D 100 Awards in der Kategorie IT/Electrical erhalten. Der ausgezeichnete "Matter-wave modulating secure quantum communicator (MMQ-Com)" erweitert das derzeitige Portfolio in der Quantenkommunikation auf kohärente Elektronen. Das Projekt ist eine Kooperation zwischen dem Physikalischen Institut der Universität Tübingen und dem Berkeley Lab in Kalifornien, an dem Stibor seit über zwei Jahren arbeitet. Mit dem R&D 100 Award prämiert ein internationales Gutachterteam die wichtigsten Innovationen des zurückliegenden Jahres, verliehen wird der Preis von der Zeitschrift R&D World.
„Moderne Datenverschlüsselung ist tief mit dem Alltagsleben in unserer Informationsgesellschaft verbunden. Die Sicherheit unserer Banküberweisung, Krankenakte, geistigen Eigentums, Internetkommunikation und anderer kritischer Daten hängt an klassischen bzw. mathematischen Verschlüsselungs-Algorithmen. Diese beruhen auf der Zerlegung von Primzahlen“, sagt Alexander Stibor. „Es ist jedoch bekannt, dass leistungsstarke Quantencomputer bald in der Lage sein werden, derzeitige Kommunikation ohne weiteres entschlüsseln. Eine Lösung ist die bereits etablierte Quantenkryptografie mit Photonen, die auf der quantenmechanischen Unsicherheit bzw. Verschränkung beruht. Es ist jedoch wichtig, eine künftige sichere Informationsübertragung auf eine breitere Basis zu stellen und Alternativen wie den MMQ-Com zu etablieren“, ordnet Stibor die Neuentwicklung ein.
Der Ansatz des Tübinger Forschungsteams nutzt andere Charakteristika der Quantenphysik als die Photonen-Methode: den Welle-Teilchen-Dualismus sowie die Dekohärenz . Jedes Objekt in der Quantenphysik besitzt sowohl die Eigenschaften von Teilchen wie auch die von Wellen. Die Quanteneigenschaften der Materiewelle sind fragil und gehen durch eine Messung oder generell eine Wechselwirkung mit der Umgebung teilweise oder komplett verloren, diesen Prozess bezeichnet man als Dekohärenz.
„Wir messen in unserem Ansatz Elektroneninterferenzen“, sagt Robin Röpke, der für seine Promotion das Experiment im Labor aufgebaut und durchgeführt hat. Und er erklärt, warum diese Methode zur Datenverschlüsselung so sicher ist: „Die Elektronenwelle wird aufgespalten – bei uns durch einen sehr feinen Draht – und danach wieder zusammengeführt. Dabei entsteht Interferenz. Mit einem so genannten Wienfilter tragen wir ein Signal auf die Elektronenwelle auf, der Filter ist also der Sender. Der Detektor am Ende des Versuchsaufbaus misst dann den Interferenzkontrast, er dient uns als Empfänger. Aus dem berühmten Doppelspalt-Experiment ist bekannt, dass man durch die Messung von nur einem der beiden Teilstrahlen keine Information erhält. Auch durch die quantenmechanische Dekohärenz führt jeder unberechtigte Versuch die Welle zu messen zur Zerstörung der Welleneigenschaft und damit des aufgetragenen Signals. Es kann für diese Übertragung immer nur einen Sender und einen Empfänger geben.“
„Uns ist im Labor der Nachweis gelungen, dass diese neue Methode zur Datenübertragung prinzipiell funktioniert, also der sogenannte Proof of Principle. Zur Überbrückung und Fertigstellung der Arbeit hatten wir von der Vector Stiftung eine MINT Innovationen-Förderung für zwei Jahre bekommen“, freut sich Alexander Stibor. „Jetzt gerade haben wir bei der Abteilung Exzellenzstrategie der Universität Tübingen einen Innovation Grant aus Exzellenzmitteln beantragt, für einen zweijährigen Postdoc“, ergänzt Robin Röpke. „Mit dieser Förderung will ich aus dem Experiment eine Weiterentwicklung in Richtung einer industriell nutzbaren Anwendung machen: das Gerät industriereif machen, die Strecken verlängern, die Datenrate vergrößern, so dass man wirklich Nachrichten übertragen kann – in dem jetzigen Experiment war der Übertragungsweg lediglich vier Zentimeter und die Übertragungsrate sehr langsam. Ich will mindestens die nächsten zwei Jahre in Tübingen bleiben – wir sind gerade an einem Punkt des Projektes, an dem es richtig losgeht!“
Maximilian von Platen
Grundlagenforschung at its best: von der Idee zum Proof of Principle
„Schließlich haben wir das Gerät in die Steckdose gesteckt, einen Testlauf gemacht und das Unglaubliche ist eingetreten: es hat auf Anhieb funktioniert – wir haben sofort ein Signal gehabt!“ So beschreibt Robin Röpke den Durchbruch bei seinem Experiment.
Die Idee zu der jetzt prämierten Entwicklung entstand bei Routinemessungen mit einem Elektronen-Interferometer, so Röpke: „Meine Kollegin Nicole Kerker und ich haben tage- und wochenlang mit dem Drehknopf des Wienfilters den Elektronenstrahl justiert, um den Kontrast zu optimieren. Irgendwann dachten wir, es wäre doch witzig, wenn man da immer hin- und herschalten könnte, wie zwischen wie zwischen 0 und 1. Dann wäre ich am Drehknopf der Sender - und derjenige, der das Interferenzbild am PC betrachtet, der Empfänger. Wir fanden das zunächst amüsant, trotzdem haben wir den Gedanken weitergesponnen. An eine quantensichere Datenübertragung haben wir damals noch gar nicht gedacht. Erst Alexander Stibor hat erkannt, dass dieser Funktionsmechanismus des Wienfilters ein reiner Quanteneffekt ist. Viele Gruppenbesprechungen später waren wir dann an dem Punkt, dass man aus diesem Übertragungsschema sehr viel mehr machen kann.”
Die Umsetzung der Idee hatte typische Anlaufschwierigkeiten: die notwendigen Teile gab es nicht zu kaufen, viele elektrischen Gerätschaften musste das Forschungsteam selber entwickeln und bauen, die Software selber schreiben. „Wir haben z.B. die computergesteuerte Elektronik für den Wienfilter in ca. vier Monaten für rund 2000 Euro in Eigenregie gebaut, sehr geholfen haben uns die Werkstätten im Physikalischen Institut“, so Robin Röpke. Und Alexander Stibor ergänzt: „Die Universität Tübingen zeichnet sich nicht nur durch sehr gute Expertise aus, bemerkenswert ist auch die Infrastruktur mit den eigenen Werkstätten. So gibt es beispielsweise in der Elektronikwerkstatt einen erstklassigen Elektronikdesigner, der sehr komplexe Elektronik konstruieren kann. Diese hervorragenden Werkstätten sollten unbedingt erhalten bleiben.“