Quantenbits ins Glasfasernetz bringen: Start des Projekts QFC-4-1QID
© Fraunhofer ILT, Aachen / Volker Lannert. Parametrische Quelle für die Erzeugung verschränkter Photonen
Quanteninformationen mit Glasfasern über weite Entfernungen übertragen und damit dem Quanteninternet den Weg bereiten: Mit diesem Ziel starteten das niederländische Forschungszentrum QuTech und das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT am 1. September 2019 das ICON-Projekt QFC-4-1QID. In dieser langfristig angelegten, strategischen Partnerschaft der Forschungsinstitutionen entwickeln die Wissenschaftler Quanten-Frequenzkonverter für die Anbindung von Quantenprozessoren an Glasfasernetze. Eingesetzt wird die neue Technologie 2022 beim weltweit ersten Quanteninternet-Demonstrator.
Mit »ICON – International Cooperation and Networking« rief die Fraunhofer-Gesellschaft ein internes Förderprogramm ins Leben, das internationale Spitzenforscher zusammenbringt und Kooperationen mit exzellenten ausländischen Forschungseinrichtungen auf Projektbasis anstößt. Im Rahmen des ICON-Vorhabens »Low-Noise Frequency Converters for the First Quantum Internet Demonstrator – QFC-4-1QID« beginnt nun die Zusammenarbeit von Fraunhofer ILT und QuTech, dem Institut für Quantentechnologien der Technischen Universität Delft und der Niederländischen Organisation für Angewandte Naturwissenschaftliche Forschung TNO. Das QuTech zählt zu den weltweit führenden Forschungszentren in den Bereichen Quantencomputing und Quanteninternet. Die erste Projektphase hat eine Laufzeit von drei Jahren und umfasst gemeinsame Forschungsaktivitäten der Partner mit einem Gesamtvolumen von ca. 2,5 Millionen Euro.
Maßgeschneiderte Photonen verbinden Qubits
Quantencomputer bieten die Chance, hochkomplexe Berechnungen und
Algorithmen in kürzester Zeit auszuführen und die aktuelle
Informationstechnologie zu revolutionieren. In einem Quanteninternet
lassen sich zukünftig mehrere Quantencomputer abhörsicher verbinden und
neue Technologien wie das verteilte Quantencomputing nutzen. Die
Photonik ist dabei eine Schlüsseltechnologie: Einzelne Photonen und
Quantenzustände lassen sich dank Lasereinsatz gezielt erzeugen,
manipulieren und kontrollieren.
Im Projekt QFC-4-1QID entwickeln die Partner Technologien, mit denen
sich die Wellenlänge bzw. Frequenz einzelner Photonen gezielt
konvertieren lässt, wobei die Quanteninformation nicht beeinträchtigt
wird. Ziel ist es, die Photonen anschließend verlustarm durch Glasfasern
zu übertragen und Qubits – also die kleinsten Recheneinheiten eines
Quantencomputers – über große Entfernungen miteinander zu koppeln.
Geringes Rauschen und hohe Effizienz gefragt
Eine große Herausforderung ist das Design entsprechender
Quanten-Frequenzkonverter mit einer hohen Gesamteffizienz, die zudem nur
wenig Rauschen im Ausgangssignal erzeugen. Es geht um die Umwandlung
von Photonen mit Wellenlänge von 637 nm aus Stickstofffehlstellen in
Diamant, die am QuTech in Delft als Qubits dienen. »Für die
Langstrecken-Verbindungen mit möglichst geringen Übertragungsverlusten
müssen diese Photonen so verändert werden, dass ihre Wellenlängen in den
Telekommunikations-Bändern im Bereich zwischen 1500 nm und 1600 nm
liegen«, erklärt Florian Elsen, Projektmanager und Koordinator für
Quantentechnologie am Fraunhofer ILT.
Bisher wurde nur das Grundprinzip von Quanten-Frequenzkonvertern
demonstriert. Die technische Umsetzung der Frequenzkonverter mit
anwendungsrelevanten Spezifikationen wird im Projekt QFC-4-1QID im
ersten Schritt mit Laboraufbauten realisiert. Später folgt die
Entwicklung von Prototypen und integrierten Bauteilen – etwa in
geförderten Folgeprojekten und F&E-Kooperationen mit der Industrie.
Mit QuTech auf dem Weg zum Quanteninternet
Der weltweit erste Quanteninternet-Demonstrator der
QuTech-Kollaboration (1QID) soll 2022 vier Städte in den Niederlanden
verbinden, die jeweils Zugriff auf ein gemeinsames Quantensystem haben.
2014 gründeten die TU Delft und die niederländische Organisation TNO das
Forschungszentrum, das sowohl wissenschaftlich ausgerichtet ist als
auch den Engineering-Bereich bedient.
Mit dem neuen ICON-Projekt leistet die Fraunhofer-Gesellschaft einen
signifikanten Beitrag zu den technologischen Voraussetzungen für das
erste Quanteninternet und positioniert sich als internationaler
Forschungspartner im Bereich neuer Quantentechnologien.
Quantentechnologien auf dem »AKL‘20 – International Laser Technology Congress«
Bei einem Fachforum zu neuen Quantentechnologien auf dem »AKL‘20 –
International Laser Technology Congress« am 6. Mai 2020 in Aachen
erhalten Interessierte weitere Einblicke in die aktuelle Forschung.