Hebrew University and HU-Tübingen: Quantum Encryption

“Quantum computers will revolutionize our computing lives.  For some critical tasks they will be mind-bogglingly faster and use much less electricity than today’s computers.  However, and here’s the bad news, these computers will be able to crack most of the encryption codes currently used to protect our data, leaving our bank and security information vulnerable to attacks.  Currently, most computer security relies on mathematical manipulations that, at present, ensure a very high level of security—it would take a regular computer billions of years to break one of those codes.  However, in our quantum future, new methods of encryption that rely on the laws of physics, rather than mathematical equations, will need to be developed. 

One fruitful approach is to use the quantum properties of single photons (particles of light) to securely encrypt a message so that any attempt to hack it is immediately detectable by both the sender and recipient.  However, getting a suitable source of single photons has been an immense challenge.  Now, a team of researchers, led by Professor Ronen Rapaport and Dr. Hamza Abudayyeh of the Racah Institute of Physics at the Hebrew University of Jerusalem (HU),  together with Professor Monika Fleischer, Annika Mildner and others at the University of Tübingen in Germany, has achieved a significant breakthrough.  Their findings bring us closer to a simple and efficient method of quantum encryption, and were published in the recent edition of ACS Nano.

Banks and government departments are already investing heavily in quantum encryption that relies on laser beams.  However, laser beams often release several photons at once or none at all.  What is needed for optimum security is a source that can emit a fast but steady stream of single photons—in one direction and at room temperature.

The team at HU developed a system that uses fluorescent crystals in the form of specks so tiny that special microscopes are needed to see them.  Known as quantum dots, each dot measures much less than a thousandth of the width of a human hair.  A laser beam shone at the quantum dot causes it to fluoresce and emit a stream of single photons.

These quantum dots are individually mounted on golden pinheads – except, of course, it is a nano-pinhead, or nanocone, almost a hundred thousandth the size of a regular pinhead.  Nanocone are able to increase the quantum dot emission of photons 20-fold.  This stream of photons is then shot off in a single direction by a ‘Bragg grating’ acting as a type of antenna. 

The HU-Tübingen device is not only useful for quantum encryption, but in other situations that rely on quantum bits to encode information, such as quantum computation.  “At present, we have a good prototype that has the potential for commercialization in the near future,” shared Ronen Rapaport. 

The advantage of quantum cryptography lies in its physical determinism.  “Laws of science cannot be broken—a single photon cannot be split, no matter how hard one tries.  Mathematical complexities might be very difficult to solve, however they are vulnerable to attack and breaches unlike quantum-based security systems,” explained Hamza Abudayyeh.  The team is currently improving their device so that it can provide an even more reliable and efficient stream of single photons that could be used in a wide range of quantum technologies. (…)”

Deutsch

“Quantencomputer werden unser Leben als Computer revolutionieren. Für einige wichtige Aufgaben werden sie atemberaubend schnell sein und viel weniger Strom verbrauchen als heutige Computer. Die schlechte Nachricht ist jedoch, dass diese Computer in der Lage sein werden, die meisten der derzeit zum Schutz unserer Daten verwendeten Verschlüsselungscodes zu knacken, so dass unsere Bank- und Sicherheitsdaten angreifbar sind. Derzeit beruht die Sicherheit von Computern größtenteils auf mathematischen Manipulationen, die derzeit ein sehr hohes Maß an Sicherheit gewährleisten – ein normaler Computer würde Milliarden von Jahren brauchen, um einen dieser Codes zu knacken. In unserer Quantenzukunft müssen jedoch neue Verschlüsselungsmethoden entwickelt werden, die sich auf die Gesetze der Physik und nicht auf mathematische Gleichungen stützen.

Ein fruchtbarer Ansatz besteht darin, die Quanteneigenschaften einzelner Photonen (Lichtteilchen) zu nutzen, um eine Nachricht sicher zu verschlüsseln, so dass jeder Versuch, sie zu knacken, sowohl für den Absender als auch für den Empfänger sofort erkennbar ist. Die Beschaffung einer geeigneten Quelle für einzelne Photonen war jedoch eine große Herausforderung. Nun hat ein Forscherteam unter der Leitung von Professor Ronen Rapaport und Dr. Hamza Abudayyeh vom Racah Institute of Physics an der Hebräischen Universität Jerusalem (HU) zusammen mit Professor Monika Fleischer, Annika Mildner und anderen von der Universität Tübingen in Deutschland einen bedeutenden Durchbruch erzielt. Ihre Ergebnisse bringen uns einer einfachen und effizienten Methode der Quantenverschlüsselung näher und wurden in der jüngsten Ausgabe der Zeitschrift ACS Nano veröffentlicht.

Banken und Behörden investieren bereits in großem Umfang in die Quantenverschlüsselung, die sich auf Laserstrahlen stützt. Allerdings geben Laserstrahlen oft mehrere Photonen auf einmal oder gar keine ab. Für optimale Sicherheit wird eine Quelle benötigt, die einen schnellen, aber gleichmäßigen Strom einzelner Photonen aussenden kann – in eine Richtung und bei Raumtemperatur.

Das Team der HU hat ein System entwickelt, das fluoreszierende Kristalle in Form von so winzigen Punkten verwendet, dass man sie nur mit speziellen Mikroskopen sehen kann. Jeder dieser so genannten Quantenpunkte ist viel kleiner als ein Tausendstel der Breite eines menschlichen Haares. Ein Laserstrahl, der auf den Quantenpunkt gerichtet wird, lässt ihn fluoreszieren und einen Strom einzelner Photonen aussenden.

Diese Quantenpunkte sind einzeln auf goldenen Stecknadelköpfen angebracht – außer natürlich, es handelt sich um einen Nano-Stecknadelkopf, oder Nanocone, fast ein Hunderttausendstel so groß wie ein normaler Stecknadelkopf. Nanocone sind in der Lage, die Photonenemission der Quantenpunkte um das 20-fache zu erhöhen. Dieser Photonenstrom wird dann durch ein “Bragg-Gitter”, das als eine Art Antenne fungiert, in eine einzige Richtung abgeschossen.

Das HU-Tübinger Gerät ist nicht nur für die Quantenverschlüsselung nützlich, sondern auch in anderen Situationen, in denen Quantenbits zur Verschlüsselung von Informationen benötigt werden, wie z. B. bei der Quantenberechnung. “Zurzeit haben wir einen guten Prototyp, der das Potenzial hat, in naher Zukunft kommerziell genutzt zu werden”, so Ronen Rapaport.

Der Vorteil der Quantenkryptografie liegt in ihrer physikalischen Determiniertheit. “Die Gesetze der Wissenschaft können nicht gebrochen werden – ein einzelnes Photon kann nicht geteilt werden, egal wie sehr man sich bemüht. Mathematische Komplexitäten sind zwar sehr schwer zu lösen, aber im Gegensatz zu quantenbasierten Sicherheitssystemen sind sie anfällig für Angriffe und Brüche”, erklärte Hamza Abudayyeh. Das Team arbeitet derzeit an der Verbesserung seines Geräts, damit es einen noch zuverlässigeren und effizienteren Strom einzelner Photonen liefern kann, der in einer breiten Palette von Quantentechnologien eingesetzt werden könnte. (…)”

Sender/Source: HU (selected, shortened and final translation into German by Glocalist).

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