Doch diese Methoden könnten bald ersetzt werden – durch Licht. Wie das gehen könnte, wird an der Johannes Kepler Universität Linz erforscht - und genau dafür wurde Maximilian Aigner mit dem Macke-Award ausgezeichnet.

Hier kommt die Quantenkryptographie ins Spiel. „Der Mechanismus hinter dieser vielversprechenden Technologie ist die sogenannte Verschränkung von Lichtteilchen, den Photonen. Für die Forschung daran hat der österreichische Physiker Anton Zeilinger im Jahr 2022 den Nobelpreis erhalten“, führt Doktorand DI Maximilian Aigner aus, der am JKU LIT Secure and Correct Systems Lab im Bereich der Quantentechnologien forscht.

Als Quelle für solche verschränkten Photonen werden beispielsweise Quantenpunkte aus Halbleitermaterial verwendet. „Einen Quantenpunkt kann man sich als einen Haufen von ein paar Tausend Atomen vorstellen“, erklärt Aigner. „Diese Quantenpunkte verhalten sich optisch ähnlich wie einzelne Atome, sind aber deutlich leichter zu handhaben, weil sie in einem Chip sitzen, den man herumtragen kann. Allerdings bringt dieser Vorteil auch Herausforderungen mit sich.“

Im Idealfall sieht jedes Photon, das von den Quantenpunkten ausgesendet wird, gleich aus. Jedoch verändern Ladungsträger, die im Chip vorhanden sind, die Farbe von jedem Photon. Die Gleichheit von Photonen ist somit nicht mehr gegeben, obwohl sie notwendig ist, wenn man beispielsweise Signale in Quantentechnologien verstärken will.

Doch wie kann die Gleichheit der Photonen erreicht werden? Mit dieser Frage beschäftigte sich der JKU Forscher im Rahmen seiner Masterarbeit. Unter anderem arbeitete er mit Quantenpunkten, die in eine Diode eingebaut wurden. Eine Diode ist ein Halbleiterbauteil, das Strom in eine bestimmte Richtung leitet und es erlaubt, die Umgebung um den Quantenpunkt frei von Störeinflüssen zu räumen. Dadurch sehen die Photonen identisch aus. Außerdem lässt sich mit Hilfe der Diode auch die Wellenlänge (und somit auch die Farbe) des Lichts ändern. So können auch Photonen unterschiedlicher Quantenpunkte aufeinander abgestimmt werden.

Auch beschäftigte sich der Physiker in seiner Masterarbeit damit, wie sich manche Eigenschaften der Photonen ändern, wenn die Temperatur der Quantenpunkte variiert. „Normalerweise werden die Quantenpunkte mit flüssigem Helium gekühlt. Das ist allerdings teuer und auch aufwendig in der Herstellung“, schildert der Doktorand. Andere gängige Kühlmethoden seien zwar verfügbar, doch werden dadurch nicht die notwendigen Tiefsttemperaturen (etwa -270 °C) erreicht. Um eine massentaugliche Verwendung von Quantenpunkten zu erleichtern, muss die Verwendung auch bei anderen Temperaturen möglich sein.

Im Zuge seiner Masterarbeit haben Maximilian Aigner und seine Kolleg*innen deshalb ein Quantenkryptographie-Experiment bei rund -250 °C Temperatur erfolgreich durchgeführt. „Ein solches System kann man beispielsweise in Satelliten einsetzen, um über große Distanzen Nachrichten physikalisch sicher zu verschlüsseln“, freut sich Aigner über das Ergebnis seiner Forschung.