Quantenmodul für verschränktes Licht
Auf Grund der zunehmenden Digitalisierung unserer Gesellschaft gewinnt die sichere Übertragung persönlicher Daten immer mehr an Bedeutung. Dazu müssen leistungsstarke Lösungen erforscht und entwickelt werden, die über konventionelle Verschlüsselungsverfahren hinausgehen. Die Sicherheit heutiger Verschlüsselungsverfahren beruht auf dem hohen, nicht leistbaren Rechenaufwand, der mit dem Brechen von Verschlüsselung verbunden wäre. Künftige Quantencomputer könnten jedoch heutige Verschlüsselungsverfahren brechen, und damit auch schon gegenwärtig übermittelte Daten gefährden, die z. B. abgegriffen und gespeichert werden. Die Quantenkommunikation bietet dabei einen vielversprechenden Ansatz. Hier werden Schlüssel mittels einzelner Lichtquanten, sogenannter Photonen, per Glasfaser übertragen. Dabei macht man sich die Eigenschaft der Lichtteilchen zunutze, die über große Distanzen miteinander wechselwirken. Diese als Quantenverschränkung bezeichnete Eigenschaft garantiert die Sicherheit der übertragenen Daten durch die Gesetze der Physik. Um diese praktisch einzusetzen, werden jedoch leistungsstarke und kompakte Systemkomponenten benötigt, die solche verschränkten Photonen bereitstellen und per Glasfaser übertragen können.
Im Vorhaben „Silizium-/Siliziumnitridintegrierte verschränkte Strahlungsquellen“ (SiNNER) werden innovative Module zur Erzeugung verschränkter Photonen in Glasfasernetzwerken entwickelt. Die Module bestehen aus neuartigen 2D-Materialien, welche in optische Wellenleiter integriert werden. Dies ermöglicht einen relativ einfachen Anschluss der Module an optischen Glasfasernetze. Das ausgesendete Licht soll bei 1300 oder 1550 Nanometern, dem sogenannten Telekom C- oder O-Band, liegen, wodurch eine gleichzeitige Übertragung der Quantendaten mit klassischen Daten ermöglicht wird. Das Modul wird durch die industriellen Partner anschließend in bestehenden Software- und Hardwarelösungen für den Quantenschlüsselaustausch integriert. Gegen Ende des Vorhabens soll so der Einsatz der Module über 50 km demonstriert werden.
Das System bietet zahlreiche Vorteile gegenüber bestehenden Lösungen. Einerseits ermöglicht der Einsatz der neuen Materialien den Betrieb des Moduls bei Raumtemperatur. Darüber hinaus sind bei bestehenden Verfahren auf Basis von Kristallen der Miniaturisierung und Systemintegration in kompakte photonische Chips physikalischen Grenzen gesetzt, welche hier überwunden werden können. Für die eingesetzten Materialien wurde bereits die skalierbare Integration in bestehende industrielle Chip-Herstellungsprozesse demonstriert. Damit leistet das Vorhaben einen essenziellen Beitrag zum Aufbau von Quantenkommunikationsinfrastrukturen und der technologischen sowie der digitalen Souveränität Deutschlands und Europas. Durch die Berücksichtigung der industriell möglichen Prozesse während der Entwicklung sollen die entwickelten Komponenten mittelfristig zu vermarktbaren Produkten weiterentwickelt werden. Dies ist ein entscheidender Schritt zur kommerziellen Umsetzung von Quantenkommunikationstechnologien am Hochtechnologiestandort Deutschland.