Wissenschaftler beteiligt an Großprojekt zur Quantenkommunikation

Die Quantentechnologie basiert auf komplexen physikalischen Gesetzen; dabei nehmen bestimmte Informationsträger beispielsweise verschiedene Zustände gleichzeitig an oder lassen sich auf Entfernung miteinander verschränken. Die Quantenkommunikation nutzt dies, um Informationen zu transportieren, die weder kopiert noch unbemerkt gelesen werden können. Bei der Übertragung von Quanteninformationen mithilfe von Lichtteilchen über Glasfasernetze stößt die Technologie jedoch noch an ganz praktische Grenzen. Aufgrund von Leitungsverlusten ist die Übertragungsstrecke bislang auf unter 100 Kilometer begrenzt. Sogenannte Quantenrepeater sollen nun die Reichweite deutlich erhöhen; ähnlich wie Repeater in der herkömmlichen Kommunikationstechnik sollen sie Signale aufgreifen und verstärkt weiterschicken.

Mit fast 15 Millionen Euro fördert das Bundesministerium für Bildung und Forschung nun ein groß angelegtes Verbundprojekt mit 24 Partnern, das verschiedene Varianten von Repeatern erforscht und entwickelt: Denkbar sind Repeater, die entweder auf Quantenpunkten, auf Diamant-Farbzentren oder auf einer Kombination atomarer und ionischer Systeme basieren. Im Projekt Q.Link.X werden erstmals nicht nur einzelne Komponenten eines Quantenrepeaters entwickelt, sondern komplette Kommunikationsstrecken.

Dabei entwickelt eine Kasseler Forschungsgruppe um Priv.-Doz. Dr. Mohamed Benyoucef vom Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik (INA) Quantenpunkte auf der neuartigen Basis einer Indium-Phosphor-Verbindung. Sie sollen speziell in einem Bereich der Glasfasernetze, der die Übertragung besonders wenig bremst, einzelne und verschränkte Photonen emittieren und so Verluste stark reduzieren. Quantenpunkte sind winzige Kristalle im Nanobereich, meist aus Halbleitermaterialien, mit speziellen physikalischen Eigenschaften. Sie werden in der Quantentechnologie beispielsweise als Einzelphotonen-Quelle verwendet.

In einem zweiten Teil Projekt entwickelt eine Gruppe um apl. Prof. Dr. Cyril Popov, ebenfalls vom INA, mit Hilfe von Elektronenstrahl-Lithographie und reaktivem Ionen-Ätzen bestimmte diamantbasierte photonische Strukturen. Dazu gehören Nano-Säulen, photonische Kristalle und Wellenleiter. Die Strukturen werden mit verschiedenen Diamant-Farbzentren gekoppelt, um die Photonensammeleffizienz zu erhöhen.

Teilprojekt InP-basierte Quantenpunktstrukturen

Viele Anwendungen der Quanteninformationstechnologie beruhen auf der Übertragung von Informationen mittels einzelner Photonen. Der Transport dieser Photonen über weite Entfernungen in Glasfasernetzwerken erfordert Einzelphotonenquellen sowie verschränkte Photonenpaare mit kompatiblen Welllenlängen im Bereich des Telekom C-Band von 1.55 µm, in welchem die Dämpfung von Glasfasern minimal ist. Quantenpunkte (QPkte) auf der Basis von Indium-Phosphid (InP) sind ein möglicher Kandidat, um das angestrebte Telekom-Fenster bei 1.55 µm zu erreichen. Das Wachstum selbstorganisierter InAs-QPkte erfolgt auf InP-Substraten mittels Feststoffquellen-Molekularstrahlepitaxie. QPkte sind kleine Objekte mit einer Größe von wenigen zehn Nanometern, die aus Tausenden von Atomen aufgebaut sind und werden oft als „künstliche Atome“ bezeichnet, weil sie lokal einzelne Ladungen in diskreten Energiezuständen aufweisen, analog zu den Energieniveaus der Orbitale von natürlichen Atomen. Das Ziel des InP-basierten Quantenpunktstrukturen-Teilprojektes der Gruppe von Priv.-Doz. Dr. Mohamed Benyoucef, Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik (INA) der Universität Kassel, ist die Entwicklung von Materialien und Plattformen, die für den Einsatz von Quanten-Repeater-Protokollen für sichere Quanteninformationsverarbeitung und -übertragung geeignet sind. Die Gruppe entwickelt Quantenpunkte auf Basis von InP, welche speziell bei 1.55 µm (Telekom-C-Band) einzelne und verschränkte Photonen emittieren. Dabei sollen Verluste stark reduziert werden. Insbesondere liegt der Fokus des Teilprojektes auf der strukturellen Optimierung der Emissionseigenschaften über das epitaktische Wachstum sowie auf einer Integration von Quantenemittern in komplexeren Emitterstrukturen z.B. Mikrokavitäten für starke Lichtemission und pin-/ Schottky-Diodenstrukturen für Spin-Manipulation; hier sollen dotierte QPkte und Quantenpunktmoleküle mit kontrollierten Dotierungsniveaus als aufladbare Strukturen verwendet werden.

Teilprojekt diamantbasierte photonische Strukturen

Farbzentren (einzelne Atomfehlstellen) in Diamanten können als langlebige Quantenspeicher fungieren – durch die vorteilhaften langen Kohärenzzeiten der Elektronen- und Kernspins in Verbindung mit effizienten optischen Übergängen. Für den Transfer von Quanteninformationen dienen Photonen als Schnittstelle zu den Spins der Farbzentren. Die Gewährleistung dieser Schnittstelle gelingt über eine Kombination aus Mikrowellen- und optischen Übergängen für die sogenannten Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) oder durch eine direkte optische Spin-Kontrolle für die sogenannten Silizium-Fehlstellen (SiV-Zentren). Die Festkörperplattform Diamant bietet der Integration „on-chip“, d.h. die Strukturen sind in der Diamant-Membran eingebettet, mit photonischen Elementen zur gezielten Erhöhung der Spin-Licht-Wechselwirkung. Das Ziel des Diamant-Teilprojektes der Gruppe von apl. Prof. Dr. Cyril Popov, Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik (INA) der Universität Kassel, ist die Realisierung von diamantbasierten photonischen Strukturen (Nano-Säulen, photonische Kristalle, Wellenleiter) mittels Elektronenstrahl-Lithographie und reaktivem Ionen-Ätzen. Alle genannten Strukturen werden mit Farbzentren (NV, SiV) gekoppelt, um die Photonensammeleffizienz zu erhöhen. Um dies zu erreichen, werden Implantationsmasken für die deterministische Implantation von Stickstoff oder Silizium und die daraus resultierende Erzeugung von Farbzentren entwickelt. Eine kohärente Manipulation und das effiziente Auslesen des Spin-Zustandes wird durch die Integration der photonischen Strukturen mit Metallelektroden und Antennen ermöglicht. Die Strukturen werden als Spin-Photon-Schnittstellen dienen sowie als Komponenten von Quantenspeicher für Untersuchungen bei Q.Link.X-Projektpartnern.

Beteiligte Institutionen

Folgende Partner sind an dem Projekt beteiligt: Rheinische Friedrich-Wilhelms-Universität Bonn, Technische Universität München, Technische Universität Dortmund, HighFinesse Laser and Electronic Systems GmbH, Fraunhofer Heinrich-Hertz-Institut Berlin, Technische Universität Berlin, Universität Stuttgart, Universität Paderborn, Universität des Saarlandes, Freie Universität Berlin, Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung Dresden, Ruhr-Universität Bochum, Swabian Instruments GmbH, Leibniz Universität Hannover, Max-Planck-Institut für Quantenoptik (Garching), Julius-Maximilians-Universität Würzburg, Universität Bremen, Heinrich-Heine-Universität Düsseldorf, Universität Ulm, Humboldt-Universität zu Berlin, Universität Kassel, Johannes Gutenberg-Universität Mainz, Karlsruher Institut für Technologie und Ludwig-Maximilians-Universität München.

Ein Teil dieses Textes basiert auf einer Meldung der Universität Bonn zum selben Thema: https://idw-online.de/de/news703142

Weitere Informationen:

https://www.forschung-it-sicherheit-kommunikationssysteme.de/projekte/q-link.x

Kontakt:

Sebastian Mense
Universität Kassel
Kommunikation, Presse- und Öffentlichkeitsarbeit
Tel.: +49 561 804-1961
E-Mail: presse[at]uni-kassel[dot]de
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