Neuer Quantenspeicher soll unknackbare Verschlüsselung ermöglichen

Forscher der Australian National University (ANU) haben in Zusammenarbeit mit der neuseeländischen University of Otago eine optische Quantenfestplatte entwickelt, die sich aus Atomen des zu den Seltenen Erden gehörenden Elements Europium zusammensetzt, das wiederum in einen Kristall eingebettet ist. Die Forschungsergebnisse wurden nun in der Fachzeitschrift Nature veröffentlicht. Die Wissenschaftler sind der Ansicht, dass die nun abgeschlossene Entwicklung einer Quantum-Festplatte, die Daten bis zu sechs Stunden lang speichert, ein bedeutender Schritt in Richtung einer weltweit sicheren Datenverschlüsselung, die auf der sogenannten Quantenverschränkung basiert, sein kann.

Die Quantenverschränkung, bei der Teilchenpaare in verflochtenen Zuständen existieren, wird bei dem jetzt entwickelten Festkörperlaufwerk zur Speicherung der Daten verwendet. Das physikalische Phänomen galt lange Zeit als unabdingbar für die Entwicklung von Supercomputern beziehungsweise Quantenrechnern, welche nicht auf herkömmlichen Binärdaten, sondern auf den sogenannten Qubits (Quanten-Bits) basieren, die die Zustände Null und Eins zugleich enthalten können.

Allerdings war es für die Forscher bislang schwierig, den für die Datenspeicherung verwendeten verschränkten Zustand der Teilchen für eine angemessene Zeit aufrecht zu erhalten. “Quantenzustände sind äußerst zerbrechlich und kollabieren in der Regel innerhalb von Millisekunden”, erklärt Manjin Zhong, Forscherin am ANU-Forschungsinstitut für Physik und Ingenieurwesen.

Nun haben die Forscher aus Australien und Neuseeland jedoch einen Quantenspeicher vorgestellt, der die darauf abgelegten Daten bis zu sechs Stunden lang vorhalten kann. Hierzu verwendeten die Wissenschaftler den Prototypen einer optischen Festplatte. Laut Zhong bietet der jetzt gelungene Durchbruch bei Quantenspeichern nicht nur neue Möglichkeiten hinsichtlich der Datenspeicherung, sondern könnte ebenso dazu genutzt werden, “eine absolut sichere Verschlüsselung für die Datenübertragung zu generieren.”

“Solche langen Speicherzeiten haben das Potenzial, die Übertragung von Quanteninformationen zu revolutionieren”, erläutert Zhong. “Unser Experiment hat gezeigt, dass es möglich ist, über eine Reichweitenerweiterung bei der Quantenkommunikation nachzudenken. Beispielsweise könnte verschränktes Licht in einem separaten Datenspeicher abgelegt und anschließend zu den unterschiedlichen Teilen eines Quantennetzes transportiert werden. Wir glauben, dass es zudem bald möglich sein wird, Quanteninformationen zwischen zwei beliebigen Punkten auf der Welt zu verteilen”, so Zhong weiter.

Jevon Longdell, Quantenforscher an der University of Otago, will die Aufbewahrungszeit von Daten in Quantenspeichern künftig sogar noch erweitern: “Unser Ziel ist es, die Speicherzeit auf mehr als einen Tag zu erweitern. Haben wir dieses Ziel erst einmal erreicht, wird es möglich sein, verschränkte Quantenzustände physikalisch zwischen zwei beliebigen Punkten auf der Welt zu verteilen.” Bislang sind Quantenkommunikationsnetze laut Longdell auf Strecken von bis zu 100 Kilometern begrenzt.

Generell könne man diese verschränkten Paare von Quantenzuständen in einer Art Paket verpackt verteilen und anschließend dazu nutzen, um einen Geheimschlüssel zu generieren, der sich wiederum für eine chiffrierte Quantenverbindung einsetzen ließe und den nur die beiden Kommunikationspartner kennen. Longdell zufolge bedarf es für einen solchen Schlüsselaustausch nicht einmal eines sicheren Kommunikationskanals.

Bereits Anfang September 2014 kündigte Google ebenfalls ein Forschungsprojekt zu Quantencomputern an, das es in Zusammenarbeit mit der University of California in Santa Barbara betreiben will. Konkret ging es dabei um Quantenprozessoren, die sich für KI-Anwendungen (Künstliche Intelligenz) eignen.

Mit dem Thema Quantencomputing beschäftigen sich auch zahlreiche andere Forscher. Der US-Geheimdienst NSA will beispielsweise mit einem Quantencomputer Verschlüsselungen knacken. Einer der ersten kommerziellen Anbieter von Quantensystemen, D-Wave Systems, konnte bereits Google und die NASA als Kunden gewinnen.

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