Verbundprojekt »QFC-4-1QID«

Low-Noise Frequency Converters for the First Quantum Internet Demonstrator

Fraunhofer-Podcast: Gespräch mit Florian Elsen zu neuen Quantentechnologien und zum Fraunhofer ICON-Projekt »QFC-4-1QID«

Podcast mit Florian Elsen | Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT

Neue Quantentechnologien bieten großes Potential für Anwendungen, die unser Leben spürbar verändern können: Mit der Verbindung von Quantencomputern rücken die abhörsichere Kommunikation, die Skalierung von Rechenleistung durch verteiltes Quantencomputing und das Quanteninternet in Sichtweite – mögliche Grundbausteine für ein neues Level der Informationstechnologie.

Im Fraunhofer-Podcast mit Mandy Bartel gibt Florian Elsen, wissenschaftlicher Mitarbeiter am Fraunhofer ILT, Einblicke in aktuelle Entwicklungen zu neuen Quantentechnologien und zum Fraunhofer ICON-Projekt QFC-4-1QID. In diesem entwickelt das Fraunhofer ILT gemeinsam mit dem Forschungszentrum QuTech in Delft effiziente und rauscharme Frequenzkonverter für die Anbindung von Qubits an das optische Telekomband, womit sich Quantencomputer zukünftig in Glasfasernetzwerken verbinden lassen.

Bei den Konvertern, die die Wissenschaftler des Fraunhofer ILT im Mai 2021 am QuTech erstmals unter realistischen Einsatzbedingungen testen, handelt es sich um Schlüsselkomponenten für die Demonstration des weltweit ersten Quanteninternets. Hierfür werden später Qubits in Delft, Leiden, Den Haag & Amsterdam mittels Glasfasern verbunden.

Quantenbits ins Glasfasernetz bringen

Optisch parametrischer Oszillator als Konzeptstudie eines rauscharmen Quantenfrequenzkonverters.
© Fraunhofer ILT, Aachen.
Optisch parametrischer Oszillator als Konzeptstudie eines rauscharmen Quantenfrequenzkonverters.

Zu den weltweit führenden Forschungszentren in den Bereichen Quantencomputing und Quanteninternet zählt das QuTech im niederländischen  Delft. 2014 gründeten die Technische Universität Delft und die Niederländische Organisation für Angewandte Naturwissenschaftliche Forschung TNO die Kollaboration, die sowohl wissenschaftlich ausgerichtet ist als auch den  Engineering-Bereich bedient.

Im September 2019 startete das von der Fraunhofer-Gesellschaft geförderte ICON-Projekt »Low-Noise Frequency Converters for the First Quantum Internet Demonstrator – QFC-4-1QID« mit Laufzeit von zunächst drei Jahren, in dem Wissenschaftler des Fraunhofer ILT und von QuTech gemeinsam Quanten-Frequenzkonverter (QFC) entwickeln. Dabei handelt es sich um Schlüsselkomponenten für die Demonstration des ersten Quanteninternets, die die Wissenschaftler am QuTech bereits für das Jahr 2022 anvisieren. Qubits in Delft, Leiden, Den Haag und Amsterdam sollen dann mittels Glasfasern zu einem gemeinsamen Quantensystem verbunden werden.

Frequenzkonverter für das Quanteninternet

Für Quanteninternet-Technologien ist es entscheidend, von einzelnen Qubit-Systemen erzeugte Photonen gezielt auszukoppeln und für ein Netzwerk nutzbar zu machen. An einigen Stellen im Netzwerk muss eine Wandlung von Photonen-Wellenlängen stattfinden, sodass mehrere verschiedenartige Qubits miteinander verbunden werden können. Die ICON-Partner entwickeln und optimieren dazu rauscharme und effiziente Quantenfrequenz-Konverter, die die Quantenzustände der Einzelphotonen erhalten.

Es stehen zwei Ansätze im Mittelpunkt, die in Aachen und Delft parallel realisiert und direkt miteinander verglichen werden. Grundlegende Basistechnologien, Methoden sowie Geräte zur Charakterisierung und zum Aufbau der Bauteile müssen dabei nur einmal entwickelt werden. Die technische Umsetzung wird zunächst mit Laboraufbauten realisiert. Später folgt die Entwicklung von nutzbaren Prototypen und integrierten Bauteilen, etwa in geförderten Folgeprojekten und F&E-Kooperationen mit der Industrie.

Als Qubits kommen Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) in Diamant zum Einsatz, die Photonen mit der Wellenlänge 637 nm emittieren. Aus pragmatischen Gründen soll die Quantenkommunikation über herkömmliche bereits verlegte Glasfasern realisiert werden. Für die Langstrecken-Verbindungen sind dann Wellenlängen erforderlich, die in den Telekommunikations-Bändern im Bereich zwischen 1500 nm und 1600 nm liegen, sodass Übertragungsverluste möglichst gering sind. Eine große Herausforderung ist das Design von Konvertern mit einer hohen Gesamt-Konversionseffizienz. Diese sollen nur wenige Rauschsignale erzeugen bzw. ins Ausgangssignal durchlassen.

Parametrische Quelle für verschränkte Photonen.
© Fraunhofer ILT, Aachen / Volker Lannert.
Parametrische Quelle für verschränkte Photonen.

Geringes Rauschen und hohe Effizienz gefragt

Am Fraunhofer ILT steht die Entwicklung rauscharmer Konverter im Vordergrund, bei denen Überhöhungskavitäten und nichtperiodisch gepolte Kristalle eingesetzt werden. Dieser Ansatz hat potentiell den Vorteil, dass nicht viele parasitäre parametrische Prozesse auftreten und nur wenige Rausch-Photonen entstehen. Hier gilt es herauszufinden, ob eine genügend hohe Effizienz für die Umwandlung der Einzelphotonen-Wellenlängen erreichbar ist.

Nach Aufbau und Evaluation der verschiedenen Ansätze für die Quanten-Frequenzkonversion soll die Technologie in einer späteren Projektphase an Halbleiter-Spin-Qubit-Systeme adaptiert werden, die im Institut für Quanteninformation der RWTH Aachen University erforscht werden.

Fraunhofer-Kompetenznetzwerk Quantencomputing

Quantencomputer-Bauteil mit Quantenprozessor und verschiedenen Kühlzonen.
© DP - stock.adobe.com
Quantencomputer-Bauteil mit Quantenprozessor und verschiedenen Kühlzonen.

In einem bundesweiten Kompetenznetzwerk treiben mehrere Fraunhofer-Institute, darunter auch das Fraunhofer ILT, die Entwicklung der Schlüsseltechnologie Quantencomputing in Deutschland voran und entwickeln neue quantentechnologische Lösungen sowie Rechenstrategien für angewandte, wirtschaftsrelevante Fragestellungen. Die Experten unterstützen Unternehmen auch dabei, nötige Fachkompetenzen aufzubauen.

-> Zur Webseite des Fraunhofer-Kompetenznetzwerk Quantencomputing

 

Technologiefeld Quantentechnologie

Mit internationalen Spitzenwissenschaftlern entwickeln wir u. a. Photonenquellen, photonische Komponenten und Systeme für zukünftige Anwendungen der Quantentechnologie.