Netzwerkfähige Quantenspeicher mit Seltenerdionen
In der Zukunft wird die Quantenkommunikation ein wichtiger Baustein für die Sicherheit digitaler Infrastrukturen in unserer Gesellschaft sein. In der Quantenkommunikation basiert der Austausch kryptografischer Schlüssel auf grundlegenden physikalischen Gesetzen, wodurch die Sicherheit auch bei Angriffen durch Quantencomputer gewährleistet bleibt. Neben einer sicheren Datenübertragung bietet die Quantenkommunikation auch neue Möglichkeiten, um Nutzende digitaler Systeme sicher zu authentifizieren und private Daten in einem Netzwerk sicher zu speichern. Sogenannte Quantentoken könnten in Zukunft all dies gewährleisten. Analog zu heute gängigen Security Token wie Bankkarten, Transpondern oder Transaktionsnummern sind Quantentoken als Authentifizierungslösung unter Nutzung quantenphysikalischer Eigenschaften denkbar. Auf dem Weg zur ihrer Realisierung gilt es für die Forschung, wichtige Schlüsselparameter quantenphysikalischer Systeme, beispielsweise Quantenspeicher, weiter zu verbessern und effiziente Einsatzmöglichkeiten zu finden.
Das zentrale Ziel des Vorhabens „Netzwerkfähige Quantenspeicher mit Seltenerdionen (NEQSIS)“ ist es, einen Quantenspeicher zu entwickeln, der erstmals die für einen Praxiseinsatz erforderlichen Leistungsparameter aus langer Speicherzeit sowie effizientem Einschreiben und Auslesen der Information erfüllt und zugleich auf eine größere Speicherkapazität, also viele Quantenbits, skaliert werden kann. Das Speichern erfolgt dabei auf Basis der Wechselwirkung einzelner Lichtquanten mit Ionen aus der Gruppe der Seltenen Erden, die in einer Kristallmatrix eingebettet sind. Durch den gezielten Einsatz von Magnetfeldern zur Stabilisierung der Speicherzustände sollen lange Speicherzeiten von bis zu einer Sekunde demonstriert werden. Ein weiterer Fokus des Projekts liegt im Übergang zur Nutzung jeweils einzelner Ionen als Speichereinheit, anstatt die Quanteninformation verteilt in mehreren Ionen zu speichern. Um solch einen Quantenspeicher realisieren zu können, bei dem einerseits einzelne Ionen adressiert werden, aber gleichzeitig eine hohe Effizienz beim Einschreiben und Auslesen der Information bewahrt wird, werden die Forschenden einen neuen Aufbau entwickeln, bei dem das Speichermedium als dünne Membran in einen optischen Mikroresonator integriert wird.
Durch die im Projekt vorgesehenen Entwicklungen wird erstmals eine langlebige und effiziente Quantenspeicherung auf Einzelionenebene ermöglicht, was langfristig eine vielversprechende Vorgehensweise in Hinblick auf große und vernetzbare Register darstellt. Zudem wird mit der geplanten Integration des Speichermediums in kompakte Strukturen ein Ansatz verfolgt, der die Basis für technologisch nutzbare Bauteile schaffen wird. Die Arbeiten werden somit grundlegende Beiträge auf dem Weg zu anwendungstauglichen Quantenspeichern liefern, wodurch auch in der Zukunft eine sichere Datenspeicherung und sichere Authentifizierung gewährleistet wird.