Forschung & Entwicklung

Quantenbits ins Glasfasernetz bringen

Um Quanteninformationen mit Glasfasern über weite Entfernungen zu übertragen und damit dem Quanteninternet den Weg zu bereiten, wird ein Quantenfrequenzkonverter für die Anbindung von Quantenprozessoren an Glasfasernetze entwickelt.

Mit ‚ICON – International Cooperation and Networking‘ rief die Fraunhofer-Gesellschaft ein internes Förderprogramm ins Leben, das internationale Forscher zusammenbringt und Kooperationen mit ausländischen Forschungseinrichtungen auf Projektbasis anstößt.

Im Rahmen des ICON-Vorhabens ‚Low-Noise Frequency Converters for the First Quantum Internet Demonstrator – QFC-4-1QID‘ beginnt nun die Zusammenarbeit vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT und QuTech, dem Institut für Quantentechnologien der Technischen Universität Delft und der Niederländischen Organisation für Angewandte Naturwissenschaftliche Forschung TNO. Die erste Projektphase hat eine Laufzeit von drei Jahren und umfasst gemeinsame Forschungsaktivitäten der Partner mit einem Gesamtvolumen von circa 2,5 Millionen Euro.

Quantencomputer bieten die Chance, hochkomplexe Berechnungen und Algorithmen in kürzester Zeit auszuführen und die aktuelle Informationstechnologie zu revolutionieren. In einem Quanteninternet lassen sich zukünftig mehrere Quantencomputer abhörsicher verbinden und neue Technologien wie das verteilte Quantencomputing nutzen. Die Photonik ist dabei eine Schlüsseltechnologie: Einzelne Photonen und Quantenzustände lassen sich dank Lasereinsatz gezielt erzeugen, manipulieren und kontrollieren.

Im Projekt QFC-4-1QID entwickeln die Partner Technologien, mit denen sich die Wellenlänge beziehungsweise Frequenz einzelner Photonen gezielt konvertieren lässt, wobei die Quanteninformation nicht beeinträchtigt wird. Ziel ist es, die Photonen anschließend verlustarm durch Glasfasern zu übertragen und Qubits – also die kleinsten Recheneinheiten eines Quantencomputers – über große Entfernungen miteinander zu koppeln.

Eine große Herausforderung ist das Design entsprechender Quantenfrequenzkonverter mit einer hohen Gesamteffizienz, die zudem nur wenig Rauschen im Ausgangssignal erzeugen. Es geht um die Umwandlung von Photonen mit Wellenlänge von 637 nm aus Stickstofffehlstellen in Diamant, die am QuTech in Delft als Qubits dienen. „Für die Langstreckenverbindungen mit möglichst geringen Übertragungsverlusten müssen diese Photonen so verändert werden, dass ihre Wellenlängen in den Telekommunikationsbändern im Bereich zwischen 1500 nm und 1600 nm liegen“, erklärt Florian Elsen, Projektmanager und Koordinator für Quantentechnologie am Fraunhofer ILT.

Bisher wurde nur das Grundprinzip von Quantefrequenzkonvertern demonstriert. Die technische Umsetzung der Frequenzkonverter mit anwendungsrelevanten Spezifikationen wird im Projekt QFC-4-1QID im ersten Schritt mit Laboraufbauten realisiert. Später folgt die Entwicklung von Prototypen und integrierten Bauteilen – etwa in geförderten Folgeprojekten und F&E-Kooperationen mit der Industrie.

Der weltweit erste Quanteninternetdemonstrator der QuTech-Kollaboration (1QID) soll 2022 vier Städte in den Niederlanden verbinden, die jeweils Zugriff auf ein gemeinsames Quantensystem haben.

von mn

www.ilt.fraunhofer.de

www.qutech.nl

www.tno.nl

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