Fraunhofer-Institut für Lasertechnik etabliert Quanteninternetknoten Der erste Knoten für das Quanteninternet der Zukunft steht

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Fraunhofer-Institut für Lasertechnik

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Pünktlich zum Start des Internationalen Jahres der Quantenwissenschaft und -technologie 2025 der Unesco richtet Nordrhein-Westfalen einen ersten Knoten für das Quanteninternet der Zukunft ein.

Ein Team des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik (ILT) hat das im niederländischen Delft entwickelte Knotensystem für das Quanteninternet jetzt nach Aachen geholt, um es hier zu erproben, weiterzuentwickeln und erste regionale Verbindungen in Richtung Jülich und Bonn aufzubauen. Das Projekt gilt als ein Meilenstein auf dem Weg ins Quantentechnologieland NRW.

Lokale Quantennetze als Keimzellen für ein neues Internet

Auf absehbare Zeit werden Quantencomputer herkömmliche PCs zwar nicht ersetzen, denn dafür ist der Betrieb heutiger Plattformen zu aufwendig. Um dennoch vielen Anwendern aus der Industrie und Wissenschaft den Zugriff auf diese leistungsfähigen Rechner zu verschaffen, unterschiedliche Quantencomputer-Plattformen miteinander verbinden zu können oder verschränkte Qubits zur sicheren Verschlüsselung sensibler Daten nutzbar zu machen, treibt aber ein internationales Team unter Leitung des Qutech im niederländischen Delft die Entwicklung so genannter „Metropolitan Scale Quantum Networks“ voran.

Aus technischen Gründen sind diese Netzwerke allerdings bisher nur lokal oder regional umsetzbar. Sie werden aber als Keimzellen des Quanteninternets der Zukunft eingestuft. Für Langstreckenverbindungen fehlen aber zum Beispiel noch Repeater, welche die von den Einzelphotonen übertragenen Signale verstärken, ohne die Quantenverschränkung zu beeinträchtigen. Simples Klonen der Photonen wie im herkömmlichen Übertragungsnetzen scheide aufgrund der Gesetzmäßigkeiten der Quantenphysik nämlich aus.

Spukhafte Fernwirkung klappt auf 25 Kilometern Strecke

Dennoch konnte das Forschungsteam um Ronald Hanson vom Qutech, hinter dem die TU Delft und die Forschungsgesellschaft TNO stehen, kürzlich einen Durchbruch melden. Denn man hat zwei Quantencomputer in Delft und Den Haag mit 25 Kilometern unterirdischer Glasfaser verbunden. Die Experten konnten so reproduzierbar den Zustand so genannter Quantenverschränkung erzeugen.

Zum Hintergrund: Verschränkte Quanten nehmen einen gemeinsamen Zustand ein, den sie kurioserweise auch über räumliche Trennungen hinweg aufrechterhalten. Albert Einstein sprach einst von einer spukhaften Fernwirkung. In Delft wird diese Verschränkung mit Einzelphotonen erzeugt, welche von Qubits in den Netzwerkknoten emittiert werden. Bei den Qubits – so genannte Diamant-Spin-Qubits – handelt es sich um den im Kristallgitter künstlicher Diamanten eingefangenen Spin einzelner Elektronen. Genauer gesagt, wird der Spin in gezielt eingebrachten Stickstofffehlstellen (NV-Zentren) gefangen und dort mit Mikrowellensignalen und Magnetfeldern kontrolliert. Mithilfe von Lasern kann man ihn auslesen, führen die Forscher weiter aus. Das Auslesen resultiert in der Emission eines Photons mit 637 Nanometern Wellenlänge, das die Information über den Zustand des Qubits trägt und diese auch transportieren kann.

Viele Hürden zu nehmen

Eine der zentralen Herausforderungen sei es aber, die in alle Richtungen und jenseits üblicher Wellenlängen der Telekommunikation emittierten Photonen effizient und rauscharm in die Glasfaser zu leiten. Deshalb sind eine spezifisch geformte, direkt in den Diamantchip integrierte Optik und ein nahezu rauschfreier Quantenfrequenzkonverter im Einsatz, den das Fraunhofer-ILT entwickelt hat. Doch es gab viele weitere Hürden. Gemeint ist die Stabilität der Verbindung, die über die 25 Kilometer lange Glasfaser Genauigkeiten in Größenordnung einer Wellenlänge der Photonen einhalten muss.

Nach Aussage von Qutech ist das mit der Aufgabe vergleichbar, den Abstand zwischen der Erde und dem Mond auf wenige Millimeter genau konstant zu halten. Lösbar war all das nur im Zusammenspiel von Forschung und angewandter Technik. Außer dem Qutech und dem ILT waren dafür der niederländische Timing-Hardware-Spezialist Opnt B.V., Element-6 als Anbieter von synthetischen Diamanten und Qubit-Chip-Substraten sowie die Toptica Photonics AG als Spezialist für hochstabile Laser beteiligt.

Das Quanteninternet soll von NRW aus in alle Richtungen wachsen

Nach und nach könnten so weitere Forschungs- und Industriestandorte in der Region, in ganz Nordrhein-Westfalen und mit zunehmender technologischer Reife sogar bundesweit angebunden werden. Dafür gilt es aber, die durch das „No Cloning Theorem“ begründete Repeater-Problematik aus der Welt zu schaffen, die einem weitläufigen, grenzüberschreitenden Quanteninternet der Zukunft entgegensteht.

Nun möchte man diese Zukunftstechnologie in NRW vorantreiben und dabei die Standortvorteile nutzen! Es gibt im Land nämlich eine hervorragende Community aus der Wissenschaft und Industrie, eine breite Basis an potenziellen Anwendern sowie kurze Wege in den Metropolregionen. Nicht zu vergessen ist die zentrale Lage in Europa. „Das Quanteninternet kann von hier aus in alle Richtungen wachsen“, hofft Dr. Bernd Jungbluth, der das strategische Programm Quantentechnologien am Fraunhofer ILT leitet.

Dieser Beitrag stammt von unserem Schwesterportal MM Maschinenmarkt.

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