Stellen Sie sich vor, zwei Bekannte behaupten unabhängig voneinander, sie hätten sich auf einen Ort für ein gemeinsames Treffen geeinigt – aber jeder nennt Ihnen einen anderen. Wie finden Sie heraus, welcher der beiden lügt? Und wie können Sie dann wenigstens den Ehrlichen doch noch treffen? Ein internationales Forscherteam berichtet jetzt in der Fachzeitschrift Physical Review Letters über ein neu entwickeltes Quantenprotokoll, das diese Entscheidung ermöglicht.
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In der klassischen Kommunikationstheorie werden solche Probleme, die zum Beispiel bei der Kommunikation zwischen Computern, beim fehlertoleranten Rechnen in Netzwerken oder etwa beim Abgleich bzw. der Übertragung von Daten auftreten, auch als „Byzantinische Vereinbarung“ bezeichnet.
Das Problem, den Fehler bzw. Lügner bei der Kommunikation zwischen genau drei Parteien A, B und C zu entlarven, ist nur dann zu lösen, wenn gleichzeitig mit der Botschaft eine Art Code, eine Liste von Zahlen, weiter gegeben wird. Diese verschiedenen Listen müssen streng miteinander korreliert sein. Aber wie erzeugen wir diese Listen und wie stellen wir sicher, dass diese Listen nicht auch manipuliert wurden? Die Antwort darauf gibt uns die Quantentheorie: Streng korrelierte Listen lassen sich mit Hilfe von verschränkten Quantenteilchen erzeugen.
Quantenkommunikation zwischen drei Systemen
Quantenkommunikation zwischen zwei Systemen mit Hilfe von zwei miteinander verschränkten Photonen ist mittlerweile fast Stand der Technik. Für die Kommunikation zwischen drei Partnern müssen aber neue Methoden entwickelt werden. Idealerweise würde man hier mit Triple-Zuständen aus dreiwertigen Quantenzuständen (sogenannten Qutrits) arbeiten. Die sind jedoch experimentell nur schwierig zu erzeugen.
Das Münchner Protokoll geht auf den Vorschlag des theoretischen Physikers Adán Cabello von der Universität Sevilla zurück. Es basiert auf der Verwendung von vier miteinander verschränkten, zweiwertigen Quantenteilchen, also Qubits. Zwei davon werden an A geschickt, eines jeweils an B und C.
Dem Team um Professor Harald Weinfurter vom Max-Planck-Institut für Quantenoptik in Garching und der Universität München gelang es nun, dieses Konzept experimentell umzusetzen. Die physikalischen Qubits werden hier durch polarisierte Photonen dargestellt, das heißt die Zustände 0 und 1 entsprechen vertikaler bzw. horizontaler Polarisation.
„Quadriga“ aus vier verschränkten Photonen
Um den Zustand einer „Quadriga“ aus vier miteinander verschränkten Photonen zu erzeugen, benutzen die Forscher nichtlineare Kristalle und helle Laserpulse. Nachdem die vier Lichtquanten verteilt wurden, messen die Partner unabhängig voneinander deren Polarisation. Aufgrund der Verschränkung zwischen allen vier Photonen sind die Messergebnisse streng korreliert.
Ein Vergleich von Testbits miteinander erlaubt es den Partnern – ähnlich wie in der Quantenkryptographie – die Sicherheit der Verteilung zu prüfen. Sie erhalten damit Listen, die für die Entlarvung des Lügners perfekt geeignet sind.
(idw – Max-Planck-Institut für Quantenoptik, 26.02.2008 – DLO)
