Optimierte Komponenten auf Lithiumniobat- und Siliziumnitridbasis für die Quantenkommunikation
Leistungsfähige Quantenkommunikationssysteme benötigten optimierte und leistungsfähige Komponenten, damit sie für die Anwendung erforderliche Übertragungsraten erreichen. Ähnlich wie bei elektronischen integrierten Schaltkreisen ermöglichen es photonische Schaltkreise (PIC), einzelne funktionale Elemente der optischen Signalverarbeitung auf einem gemeinsamen Chip zu vereinigen. Diese Schaltungen mit hoher Integrationsdichte können in einem gemeinsamen Prozess in Massenfertigung hergestellt werden. Insbesondere für die Quantenkommunikation sind dabei die geringen optischen Verluste zwischen den einzelnen funktionalen Elementen auf einem Chip von großer Bedeutung.
Das Vorhaben „Etablierung einer Photonischen Lithiumniobat-Siliziumnitrid-Plattform für die Quantenkommunikation“ (PoLiSiQ) zielt darauf ab, bereits bestehende PIC-Technologien basierend auf Lithiumniobat und Siliziumnitrid zu vereinen und damit Schlüsselkomponenten für die Quantenkryptografie zu erforschen. Durch die geringe Größe und hohe Robustheit solcher Schaltungen, eignen sich diese insbesondere für zukünftige mobile Anwendungen oder für den Einsatz auf Satelliten. So soll ein hybrider Ansatz zur Herstellung photonischer Schaltkreise etabliert werden. Zunächst werden die grundlegenden Prozesse zur Herstellung und Strukturierung der Wafer erforscht, auf deren Grundlage Schlüsselkomponenten für die Quantenkommunikation entwickelt werden. Die dafür notwendigen grundlegenden Schaltkreisstrukturen wie beispielsweise Wellenleiter, Schalter und Modulatoren werden einzeln erforscht und optimiert. Anschließend werden die einzelnen Strukturen kombiniert, um Transmitter und Photonenquellen für die Quantenkommunikation (QKD) auf einem gemeinsamen Chip zu realisieren. Die so geschaffenen Schlüsselkomponenten können als essenzielle Bausteine bei verschiedenen QKD-Protokollen angewendet werden. Abschließend werden die Schlüsselkomponenten in Testaufbauten unter Laborbedingungen charakterisiert und in weltraumtaugliche Gehäuse integriert.
Die Kombination der beiden Materialien Siliziumnitrid und Lithiumniobat verspricht bessere Leistungen, als die getrennte Verwendung der Materialien. Es treten weniger Verluste durch Dämpfung auf und es werden höhere Schaltgeschwindigkeiten erzielt. Dies ist für eine hohe Bandbreite in der Quantenkommunikation essenziell. Darüber hinaus können neue Bereiche des optischen Spektrums adressiert werden. Durch die Prozessierung beider Materialien, Siliziumnitrid und Lithiumniobat, auf einem gemeinsamen Wafer soll eine gute Skalierbarkeit mit Blick auf eine Massenfertigung erzielt werden. Die Integration in weltraumtaugliche Gehäuse macht die Komponenten kompakt, robust und sicher beim Einsatz im terrestrischen Umfeld sowie im Weltraum. Insgesamt wird so durch die Beteiligung der deutschen Partner die nationale Souveränität auf dem Feld der quantensicheren Kommunikation und Sicherheit informationstechnischer Systeme gestärkt.