Start des Projekts QFC-4-1QID

Quantenbits ins Glasfasernetz bringen

Fraunhofer ILT / 15.10.2019

Quanteninformationen mit Glasfasern über weite Entfernungen übertragen und damit dem Quanteninternet den Weg bereiten: Mit diesem Ziel starteten das niederländische Forschungszentrum QuTech und das Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT am 1. September 2019 das ICON-Projekt QFC-4-1QID. In dieser langfristig angelegten, strategischen Partnerschaft der Forschungsinstitutionen entwickeln die Wissenschaftler Quanten-Frequenzkonverter für die Anbindung von Quantenprozessoren an Glasfasernetze. Eingesetzt wird die neue Technologie 2022 beim weltweit ersten Quanteninternet-Demonstrator.

© Fraunhofer ILT, Aachen.
Optisch parametrischer Oszillator als Konzeptstudie eines rauscharmen Quantenfrequenzkonverters.
© Fraunhofer ILT, Aachen / Volker Lannert.
Parametrische Quelle für die Erzeugung verschränkter Photonen.

Mit »ICON – International Cooperation and Networking« rief die Fraunhofer-Gesellschaft ein internes Förderprogramm ins Leben, das internationale Spitzenforscher zusammenbringt und Kooperationen mit exzellenten 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 von Fraunhofer ILT und QuTech, dem Institut für Quantentechnologien der Technischen Universität Delft und der Niederländischen Organisation für Angewandte Naturwissenschaftliche Forschung TNO. Das QuTech zählt zu den weltweit führenden Forschungszentren in den Bereichen Quantencomputing und Quanteninternet. Die erste Projektphase hat eine Laufzeit von drei Jahren und umfasst gemeinsame Forschungsaktivitäten der Partner mit einem Gesamtvolumen von ca. 2,5 Millionen Euro.

Maßgeschneiderte Photonen verbinden Qubits

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 bzw. 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.

Geringes Rauschen und hohe Effizienz gefragt

Eine große Herausforderung ist das Design entsprechender Quanten-Frequenzkonverter 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 Langstrecken-Verbindungen mit möglichst geringen Übertragungsverlusten müssen diese Photonen so verändert werden, dass ihre Wellenlängen in den Telekommunikations-Bändern 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 Quanten-Frequenzkonvertern 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.

Mit QuTech auf dem Weg zum Quanteninternet

Der weltweit erste Quanteninternet-Demonstrator der QuTech-Kollaboration (1QID) soll 2022 vier Städte in den Niederlanden verbinden, die jeweils Zugriff auf ein gemeinsames Quantensystem haben. 2014 gründeten die TU Delft und die niederländische Organisation TNO das Forschungszentrum, das sowohl wissenschaftlich ausgerichtet ist als auch den Engineering-Bereich bedient.

Mit dem neuen ICON-Projekt leistet die Fraunhofer-Gesellschaft einen signifikanten Beitrag zu den technologischen Voraussetzungen für das erste Quanteninternet und positioniert sich als internationaler Forschungspartner im Bereich neuer Quantentechnologien.

Quantentechnologien auf dem »AKL‘20 – International Laser Technology Congress«

Bei einem Fachforum zu neuen Quantentechnologien auf dem »AKL‘20 – International Laser Technology Congress« am 6. Mai 2020 in Aachen erhalten Interessierte weitere Einblicke in die aktuelle Forschung.