ISOQC: Quantenkommunikation mit integrierter Optik im Zusammenhang mit supraleitender Elektronik

Quanteneffekte für eine sichere Kommunikation

Sichere Kommunikationsnetzwerke sind in der modernen Welt von zentraler Bedeutung. Der Schutz kritischer Infrastruktur, verlässlicher Handel oder auch die Wahrung der Privatsphäre sind fundamental darauf angewiesen, dass Dritte nicht den Datenverkehr mithören und manipulieren können. Um dies zu gewährleisten, werden permanent neue Verschlüsselungsverfahren entwickelt und genutzt. Die Quantenkommunikation ermöglicht einen Datenaustausch, dessen Sicherheit durch die Gesetze der Physik gewährleistet wird. Prinzipbedingt ist das unbemerkte Abhören einer Leitung unmöglich. Die Quanteneigenschaften, die man ausnutzt, sind jedoch extrem empfindlich auf Störungen. Die Errichtung und der Betrieb eines Quanteninformationsnetzwerks mit stabilen Komponenten ist deshalb eine komplexe Aufgabe.

ISOQC – Eine Plattform für die Quantenkommunikation

Integrierte Optiken sind eine nützliche Plattform zur Manipulation von Quantenlicht. Viele Komponenten optischer Schaltkreise können wie bei elektrischen Mikrochips auf kleinstem Raum integriert werden. Das Ziel dieses Projekts ist die Erforschung einer Reihe von modularen Bausteinen, die bestimmte Operationen mit Quantenlicht durchführen. Der Baukasten umfasst die zentralen Elemente eines quantenoptischen Netzwerks, nämlich die Erzeugung, Manipulation und Detektion photonischer Zustände. Sämtliche Bausteine müssen untereinander kompatibel sein und an ihren Schnittstellen optimal angepasst werden.

Um dieses Ziel zu erreichen, werden etablierte Techniken aus der nichtlinearen Optik mit supraleitender Elektronik kombiniert. Dazu werden kristalline Strukturen wie Lithiumniobat genutzt. In diese können optische Schaltungen in Form von Wellenleitern „eingeschrieben“ werden. Dieses Vorgehen gewährleistet eine hohe Stabilität, geringe Verluste sowie eine kompakte Bauform. Die ultrasensitive Messung photonischer Zustände erfolgt mittels supraleitender Detektoren. Neben der hohen Genauigkeit haben diese den Vorteil, dass die Signale mit geringer Leistung und hoher Geschwindigkeit verarbeitet werden können. Eine der größten Herausforderung besteht darin, unter den Betriebsbedingungen der Supraleiter (u. a. Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt) die Funktionalität zu bewahren. An der Nachwuchsgruppe in Paderborn werden die dafür nötigen Kompetenzen im Bereich der nichtlinearen Quantenoptik und der supraleitenden Detektortechnologie zusammengeführt.

Durch die Forschung werden wichtige Ergebnisse für die Integration von Quantenkommunikationssystemen erwartet. Neben den Fortschritten zur Erzeugung, Manipulation und Detektion von Licht ist vor allem die modulare Bauweise von zentraler Bedeutung. So wird eine größere Flexibilität für weitere Forschung und für breitere Einsatzmöglichkeiten erreicht. Beispielsweise können Komponenten so separat optimieren oder repariert werden, ohne dem ganzen System zu schaden.

Das Hauptziel dieses Projekts ist die Integrierung und Ausnutzung von hocheffizienten, supraleitenden Detektoren auf nichtlinearen Wellenleitern in Lithiumniobat, um neue Funktionalitäten in der Quantenoptik zu ermöglichen. Die Herausforderung besteht darin, die Vorteile von Lithiumniobat zu bewahren, während der Nutzung von tiefen Temperaturen. Erste Schritte in diese Richtung haben wir bereits gezeigt. Neu an diesem Vorgehen ist die Verbindung dieser Komponenten und das Potenzial dieses Verfahrens zu verwirklichen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir die weltführende Lithiumniobattechnologie an der Universität Paderborn zusammen mit der supraleitenden Detektortechnologie vom National Institute for Standards and Technology (NIST), Boulder, Colorado vereinen. Wir planen, fünf maßgeschneiderte Komponenten zu demonstrieren, die die Vielfalt unserer modularen Vorgehensweise beispielhaft zeigen. Unter anderem geht es darum, die Eigenschaften des Lithiumniobatwellenleitersubstrats an den supraleitenden, dünnen Schichten anzupassen sowie die nichtlinearen Eigenschaften des Lithiumniobats bei tiefen Temperaturen zu optimieren.

Diese Komponenten werden in der Zukunft als Teile eines großen Quantenkommunikationssystems betrachtet, die als flexible und notwendige Verknüpfungen zwischen anderen Komponenten, die auf anderen Plattformen basieren, fungieren. Um Quantentechnologie und insbesondere die Quantenkommunikation zu entfalten, ist eine modulare Vorgehensweise sinnvoll, sodass einzelne Komponenten separat optimiert (und evtl. repariert) werden können, ohne dem ganzen System zu schaden. Langfristig gesehen wird sich erhofft, unsere Komponenten mit anderen Technologien anzupassen, um einen Mehrwert und mehr Funktionalität zu ermöglichen.