ISOQC

Sichere Kommunikationsnetzwerke sind in der modernen Welt von zentraler Bedeutung. Der Schutz kritischer Infrastruktur, verlässlicher Handel oder auch die Wahrung der Privatsphäre sind fundamental darauf angewiesen, dass Dritte nicht den Datenverkehr mithören und manipulieren können. Um dies zu gewährleisten, werden permanent neue Verschlüsselungsverfahren entwickelt und genutzt. Die Quantenkommunikation ermöglicht einen Datenaustausch, dessen Sicherheit durch die Gesetze der Physik gewährleistet wird. Prinzipbedingt ist das unbemerkte Abhören einer Leitung unmöglich. Die Quanteneigenschaften, die man ausnutzt, sind jedoch extrem empfindlich auf Störungen. Die Errichtung und der Betrieb eines Quanteninformationsnetzwerks mit stabilen Komponenten ist deshalb eine komplexe Aufgabe.

Integrierte Optiken sind eine nützliche Plattform zur Manipulation von Quantenlicht. Viele Komponenten optischer Schaltkreise können wie bei elektrischen Mikrochips auf kleinstem Raum integriert werden. Das Ziel dieses Projekts ist die Erforschung einer Reihe von modularen Bausteinen, die bestimmte Operationen mit Quantenlicht durchführen. Der Baukasten umfasst die zentralen Elemente eines quantenoptischen Netzwerks, nämlich die Erzeugung, Manipulation und Detektion photonischer Zustände. Sämtliche Bausteine müssen untereinander kompatibel sein und an ihren Schnittstellen optimal angepasst werden.

Um dieses Ziel zu erreichen, werden etablierte Techniken aus der nichtlinearen Optik mit supraleitender Elektronik kombiniert. Dazu werden kristalline Strukturen wie Lithiumniobat genutzt. In diese können optische Schaltungen in Form von Wellenleitern „eingeschrieben“ werden. Dieses Vorgehen gewährleistet eine hohe Stabilität, geringe Verluste sowie eine kompakte Bauform. Die ultrasensitive Messung photonischer Zustände erfolgt mittels supraleitender Detektoren. Neben der hohen Genauigkeit haben diese den Vorteil, dass die Signale mit geringer Leistung und hoher Geschwindigkeit verarbeitet werden können. Eine der größten Herausforderung besteht darin, unter den Betriebsbedingungen der Supraleiter (u. a. Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt) die Funktionalität zu bewahren. An der Nachwuchsgruppe in Paderborn werden die dafür nötigen Kompetenzen im Bereich der nichtlinearen Quantenoptik und der supraleitenden Detektortechnologie zusammengeführt.

Durch die Forschung werden wichtige Ergebnisse für die Integration von Quantenkommunikationssystemen erwartet. Neben den Fortschritten zur Erzeugung, Manipulation und Detektion von Licht ist vor allem die modulare Bauweise von zentraler Bedeutung. So wird eine größere Flexibilität für weitere Forschung und für breitere Einsatzmöglichkeiten erreicht. Beispielsweise können Komponenten so separat optimieren oder repariert werden, ohne dem ganzen System zu schaden.