Integrierter Hochleistungsempfänger für die Quantenschlüsselverteilung
Mit der fortschreitenden Digitalisierung steigt der Bedarf an Technologien zur sicheren Datenübertragung, insbesondere in Anbetracht des Angriffspotenzials durch künftig leistungsfähige Quantencomputer. In diesem Zusammenhang bieten Quanteneffekte aber auch neue vielversprechende Ansätze, um digitale Infrastrukturen auch zukünftig schützen zu können. Das Verfahren des Schlüsselaustausches mittels Lichtquanten – die sogenannten Quantum Key Distribution (engl. QKD) – ist eine solche Technologie. Sie bietet, basierend auf den fundamentalen Gesetzen der Quantenphysik, die Chance auf eine langfristige Sicherheit. Bisherige praktische Realisierungen von QKD-Systemen beruhen jedoch auf Aufbauten mit jeweils separaten Komponenten für die Erzeugung, Modulation und Detektion von Lichtquanten. Dieser Ansatz ist kostenintensiv, verbraucht viel Platz für die Sende- und Empfangseinheiten und lässt sich schwierig skalieren. Abhilfe könnten integrierte Verfahren schaffen, mit denen sich alle Elemente auf einem Chip vereinen ließen. Dieser Chip könnte in der Folge in vielfacher Ausführung in einem skalierbaren Halbleiterfertigungsprozess hergestellt werden.
Ziele und Vorgehen
Ziel des Verbundprojekts „Optimierter kohärenter Empfänger für CV-QKD-Systeme“ (DECODE) ist es, einen sowohl auf photonischer als auch elektrischer Ebene vollständig integrierten und hochsensitiven Empfänger für die Quantenschlüsselverteilung auf Basis der Übertragung von kontinuierlichen Variablen (engl.: continuous-variable QKD, CV-QKD) zu entwickeln. Dafür sollen verschiedene Bestandteile des Empfängers zielgerichtet für den Anwendungsfall der CV-QKD optimiert werden. Hierzu gehört eine kompakte, hocheffiziente Detektionseinheit für Lichtquanten sowie ein extrem rauscharmer Verstärker. Zudem wird auch ein für den Empfänger passendes Übertragungsprotokoll und eine digitale Signalverarbeitung erforscht. Darüber hinaus soll die entwickelte Technik in die bereits großflächig vorhandene glasfaserbasierte kohärente Telekommunikationsinfrastruktur integrierbar sein. Hierdurch will das Projektteam eine Brücke zwischen Quantenkommunikation und konventioneller Kommunikationstechnologie schlagen.
Im Projekt wird ein kompakter und hochleistungsfähiger Empfänger für die Quantenkommunikation entwickelt. Gegenüber dem heutigen Stand der Technik wird die vorgesehene Lösung sowohl zu einer deutlichen Steigerung der Übertragungsrate der Quantenschlüssel führen als auch kompatibel zu bestehenden Kommunikationsnetzen sein. Dies ermöglicht einen Parallelbetrieb von klassischem und Quantenkanal auf der gleichen Glasfaser. Das Vorhaben trägt somit maßgeblich dazu bei, dass das Potenzial von CV-QKD-Systemen in der Anwendung besser ausgeschöpft werden kann und begünstigt damit eine Verbreitung dieser Technologie. Darüber hinaus schafft die Beteiligung von Industriepartnern und die vorgesehene deutsche Wertschöpfungskette Marktchancen für die nationale IT-Sicherheitsbranche. Dies stärkt die technologische Souveränität Deutschlands bei der Einführung einer hochsicheren Quantenkommunikationsinfrastruktur.