Abhörsichere Kommunikation gilt als eines der großen Versprechen der Quantenphysik. Dabei werden Informationen mithilfe einzelner Lichtteilchen, sogenannter Photonen, übertragen und eines speziellen Schlüssels, der bei jeder Messung entsteht, codiert und decodiert. Der Clou bei der Quantenkryptographie: Wird von außen versucht, das Signal abzufangen, ändert sich der Schlüssel. Bislang war es nur begrenzt möglich, bestimmte Eigenschaften von Quantenlicht, welches für Quantenkryptographie benötigt wird, in die klassische Welt zu übertragen.
Ein Team aus Forscher:innen der Universität Graz, der Universität Wien und der Technischen Universität München hat nun eine Methode entwickelt, mit der klassische, kommerzielle Lichtsimulationen wichtige Eigenschaften von Quantenlicht erfassen können. Der neue Ansatz soll die Entwicklung von Bauelementen für abhörsichere Quantenkommunikation, Quantencomputer und Quantensensoren erleichtern. Die Ergebnisse wurden im renommierten Fachjournal Nature Communications veröffentlicht.
„Simulationsprogramme, wie wir sie aus der klassischen Physik kennen, können zwar sehr genau berechnen, wie Licht durch nanostrukturierte Materialien läuft. Was sie aber nicht ausreichend erfassen, ist das sogenannte Quantenrauschen – winzige Schwankungen des Lichtfelds, die sich klassisch nicht beschreiben lassen und die den eigentlich quantenhaften Charakter des Lichts ausmachen", erklärt Felix Hitzelhammer, Doktorand am Institut für Physik der Universität Graz und Erstautor des Artikels. Zusammengearbeitet hat er dabei mit seiner Kollegin und Co-Supervisiorin Co-Supervisorin Slavtcheva-Koleva. Die große Frage, die sich die Forschenden deshalb stellen: "Wie lassen sich die Effekte aus der Quantenwelt auf die klassische Elektrodynamik übertragen, um diese messbar zu machen?"
Rauschen kein Störfaktor, sondern Hilfsmittel
Nach zahlreichen Berechnungen und Versuchen haben die Wissenschaftler:innen einen Weg gefunden, mit dem klassische Lichtsimulationen so erweitert werden können, dass sie auch wichtige Eigenschaften von Quantenlicht korrekt beschreiben. Der Trick: gezielt erzeugtes Rauschen. „Rauschen ist in diesem Fall kein Störsignal, sondern der Träger der entscheidenden Information“, führt der Physiker Ulrich Hohenester, Betreuer von Hitzelhammers Dissertation, aus. Dabei werden den simulierten Lichtquellen bei der Übertragung spezielle Rauschanteile „aufgeprägt“. Diese sind so gewählt, dass sie die Quanteneigenschaften des Lichts enthalten. Anschließend kann das Licht mit etablierten klassischen Simulationsprogrammen „gesehen“ und weiterberechnet werden. Die gesuchten Informationen über das Quantenlicht stecken im Rauschen selbst.
Getestet wurde die Methode an einem bekannten Prüfstein der Quantenoptik: dem sogenannten „Mollow-Triplet“. Dieses charakteristische Lichtspektrum entsteht, wenn ein Quantensystem stark mit Laserlicht angeregt wird. Es zeigt besonders deutlich, ob ein Modell die Fluktuationen eines Quantensystems richtig beschreibt. Das Ergebnis: Die Simulationen stimmten optimal mit Messungen an einem Halbleiter-Quantenpunkt aus Indiumgalliumarsenid überein. Ein solcher Quantenpunkt ist eine künstliche Lichtquelle für einzelne Photonen.
Noch handelt es sich um einen Machbarkeitsnachweis. Dennoch zeigt die Arbeit einen vielversprechenden Weg: Quantenlicht muss nicht vollständig mit extrem aufwendigen Quantenmodellen berechnet werden. Unter bestimmten Bedingungen lassen sich seine Eigenschaften auch in klassische Lichtsimulationen übertragen – wenn das richtige Rauschen eingebaut wird.
Publikation
Hitzelhammer, F., Stowasser, J., Hanschke, L. et al. Bridging quantum noise and classical electrodynamics with stochastic methods. Nat Commun (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-73066-4