MARQUAND

Beim Quantenschlüsselaustausch (engl. „Quantum Key Distribution“, kurz QKD), der Übermittlung eines geheimen Schlüssels zwischen zwei Gesprächspartnern, werden Photonen als Träger der Information verwendet. Das Verfahren könnte in naher Zukunft herausragende Relevanz für den Austausch einer Vielzahl sensibler Daten erlangen, da es – im Gegensatz zur klassischen algorithmischen Kryptographie – eine intrinsische Abhörsicherheit besitzt. Denn ein Lauschangriff äußert sich (abhängig vom eingesetzten Übertragungsprotokoll) z. B. in einer erhöhten Fehlerrate bei der Übertragung des Schlüssels. Überschreitet diese einen bestimmten Schwellwert, wird der Schlüssel verworfen oder die Kommunikation unterbrochen; der Lauschangriff scheitert. Die Fehlerrate bei der Übertragung des Schlüssels wird aber nicht nur durch einen möglichen Lauschangriff, sondern auch durch technische Randbedingungen bestimmt. So sind v. a. die Effizienzeinbußen und sowie die auftretende Dunkelzählrate des eingesetzten Photonendetektors limitierende Faktoren. Daher können quantenkryptographische Methoden nur mithilfe geeigneter, hocheffizienter Einzelphotonendetektoren erfolgreich eingesetzt werden.

Das MARQUAND-Projekt hat sich zum Ziel gesetzt hocheffiziente Detektoren mit niedriger Dunkelzählrate zu erforschen. Dazu eignen sich besonders gute Supraleitende Einzelphotonendetektoren (engl. „Superconducting Nanowire Single Photon Detectors“, kurz SNSPD). Diese dünnen Sensorstreifen werden durch das Auftreffen eines Photons kurzzeitig vom supraleitenden in den normalleitenden (resistiven) Zustand gebracht. Einzelne Photonen können dadurch nachgewiesen werden. Als Detektoren werden dazu im Vorhaben fasergekoppelte Übergangsmetall-Silizide verwendet, da auf diese Weise eine extrem hohe System-Detektionseffizienz und eine niedrige Dunkelzählrate erreicht werden kann.

Diesen Vorzügen steht die technische Schwierigkeit gegenüber, dass für den Betrieb von SNSPDs Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt benötigt werden. Solche Temperaturen können momentan ausschließlich auf der Basis von tiefkalten verflüssigten Gasen, sog. Kryogenen, kontinuierlich bereitgestellt werden. Dies steht einem breiten Einsatz der Detektoren entgegen. Aus diesem Grund wird im MARQUAND-Projekt eine innovative Kühltechnik erforscht. Durch die sogenannte kontinuierliche adiabatische Entmagnetisierungskühlung können die benötigten Temperaturen ohne Verwendung von Kryogenen erzielt werden. Dadurch werden erstmalig hocheffiziente Detektoren z. B. für Quantenkommunikationsanwendungen in einem kompakten, modularen Modul mit standardisierten Schnittstellen verfügbar.

Das Projekt liefert damit einen wichtigen Beitrag, um die Quantentechnologie verfügbar zu machen. Neben der Quantenkommunikation hat die innovative Methode zur Einzelphotonendetektion beispielsweise einen potenziellen Mehrwert für die Bildgebung in den Lebenswissenschaften. Die Kühltechnik kann zudem für Anwendungen jenseits der Einzelphotonendetektion genutzt werden. Dazu zählt vor allem das Quantencomputing