Hochleistungsfähige Lichtquellen für die Quantenkommunikation
Die Quantenkommunikation ist ein wichtiger Baustein für die künftige Sicherheit digitaler Infrastrukturen in unserer Gesellschaft. In der Quantenkommunikation basiert der Austausch kryptografischer Schlüssel auf grundlegenden physikalischen Gesetzen, wodurch die Sicherheit, im Gegensatz zu derzeit verwendeter Verschlüsselung, grundlegend gewährleistet bleibt. Dies gilt auch bei Angriffen durch neuartige, bisher unbekannte Algorithmen oder durch leistungsstarke Quantencomputer. Zur erfolgreichen Realisierung ist es notwendig in der Forschung, Quanten-Verschlüsselungsalgorithmen und Kernkomponenten, beispielsweise Quellen für Lichtquanten, den sogenannten Photonen, weiter zu verbessern und effiziente Möglichkeiten der Umsetzung zu finden.
Ziel des Projektes „Mikrointegrierte Hochleistungsquellen für die Quantenkommunikation (MIHQU)“ ist die Miniaturisierung von Quellen für Photonen. Zusätzlich soll die Bedienung dieser vereinfacht, ihre Resilienz gegen äußere Einflüsse gesteigert sowie gleichzeitig deren reproduzierbare industrielle Herstellung etabliert werden. Zu diesem Zweck wollen die Forschenden das Design der Quellen anpassen und die damit einhergehenden Herstellungsmethoden optimieren. Es sollen auch die Erzeugungsraten der Photonen deutlich gesteigert und die Kompatibilität mit sogenannten Quantenspeichern sichergestellt werden. Dabei nutzen die Forschenden ein Phänomen, bei dem Photonen aus einem Laser in einem speziellen Kristall in ein Paar verschränkter Photonen umgewandelt werden. Insbesondere wird untersucht, ob speziell bearbeitete Kristalle und bestimmte Kristallgeometrien besonders geeignet sind, die Anforderungen für die Speicherung in Quantenspeichern oder für die gleichzeitige Erzeugung von Photonen mit Frequenzen im gesamten verlustarmen Telekommunikationsfrequenzbereich zu erfüllen. Gleichzeitig arbeiten die Forschenden daran, das entwickelte System sehr kompakt und robust zu gestalten, um vielfältige Anwendungs- und Vermarktungsszenarien zu ermögliche.
Die geplanten Quellen für verschränkte Photonen ermöglichen den Betrieb bei Raumtemperatur und bieten eine große Flexibilität in Bezug auf die spektralen Eigenschaften, wodurch diese ideal für den Einsatz in bestehenden Glasfasernetzen sind. Darüber hinaus wird der verwendete Aufbauansatz eine reproduzierbare und kostengünstige industrielle Herstellung ermöglichen. Somit können die Gesamtkosten in der Quantenkommunikation gesenkt werden. Dies ist ein notwendiger Schritt für die erfolgreiche Überführung der Quelle in verschiedene kommerzielle Anwendungen. Die Forschenden leisten somit einen wichtigen Beitrag für die Quantenkommunikationsbranche und darüber hinaus. Dies hilft dabei, auch zukünftig die technologische Souveränität Deutschlands in diesem Bereich zu gewährleisten.