InQuRe

Entwicklung eines komplexen Halbleiter-Quantenrepeaterknotens

Mann hält einen SiC-Wafer in der Hand
SiC-Wafer vor der Nanoprozessierung zur Anwendung in Quantennetzwerk-Experimenten. Ort: Reinraum des 3. Physikalischen Instituts der Universität Stuttgart. © 3. Physikalisches Institut der Universität Stuttgart

Motivation

Die Vernetzung immer leistungsfähigerer Quantensysteme eröffnet fundamental neue und vielversprechende Möglichkeiten. Mit der Entwicklung eines Quanteninternets könnten nicht nur eine durch quantenphysikalische Prinzipien hochsichere Kommunikation realisiert, sondern auch die Vernetzung von Quantencomputern ermöglicht werden. Daran sind allerdings enorme technologische Anforderungen geknüpft: Die extrem empfindlichen Quantensignale müssen über sehr große Distanzen stabil gesendet und innerhalb eines weiten Kommunikationsnetzwerks ihre grundlegenden Quanteneigenschaften bewahren können. Da die Übertragung von Quanteninformationen über konventionelle Glasfaserstrecken aber bereits unter 100 km stark an Leistung nachlässt, muss an sogenannten Quantenrepeatern geforscht werden, die Teil-abschnitte der Kommunikationsstrecke durch quantenphysikalische Prozesse sicher miteinander verbinden. Bislang erforschte Ansätze beschränken sich weitestgehend auf Quantenrepeater für die einfache Quantenschlüsselübertragung. Für die Entwicklung eines komplexen Quanteninternets müssen die bisherigen Ansätze jedoch um Quantenfehlerkorrekturverfahren erweitert werden, um so die fehlerfreie Kommunikation über mehrere Netzwerkknoten sicherzustellen. Zudem muss die Quanteninformation über sogenannte verlust-unempfindliche photonische Cluster-Zustände übertragen und verarbeitet werden können.

Ziele und Vorgehen

Im europäischen Projekt „Feldtest eines integrierten Quanten-Repeater-Knotens und Entwicklung der zugrundeliegenden kryogenen Umgebung (InQuRe)“ begegnet man dieser Herausforderung mit der Entwicklung eines robusten, halbleiterbasierten Quantenrepeater-Netzwerkknotens. Wichtigste Ziele der deutschen Projektpartner betreffen die Realisierung einer effizienten Spin-Photon Schnittstelle, die Erzeugung und Manipulation von netzwerkrelevanten und verlustresilienten photonischen Cluster-Zuständen, sowie die Implementierung von Quantenfehlerkorrekturverfahren auf dem im Projekt zu entwickelnden Quantencomputing-Kernspin-Registers. In einem Feldversuch in Südfrankreich soll abschließend die Leistungsfähigkeit des entwickelten Systems in einem existierenden Telekom-Fasernetzwerk demonstriert und evaluiert werden.

Innovationen und Perspektiven

Der im Projekt geplante Quantenrepeater-Netzwerkknoten legt den Grundstein für eine hochgradige Vernetzung von komplexen Quantensystemen. Durch Einbettung in ein reales, interstädtisches Glasfasernetzwerk wird zudem die Praxistauglichkeit des Quantenrepeaters überprüft. Die starke internationale Vernetzung der Projektpartner setzt neue Maßstäbe für die Infrastruktur der Quantenkommunikation der nächsten Generation in Europa. Die Teilnahme des deutschen Industriepartners legt wichtige Grundlagen für die Entwicklung kritischer Komponenten und stärkt damit Deutschlands Souveränität bei der Einführung und Verbreitung quantenbasierter Kommunikationssysteme.