Skalierbare Mehrkanal-Quantenkommunikationsplattform
Die Nutzung einzelner Lichtquanten - so genannter Photonen - als Träger von Informationen ermöglicht eine sichere Kommunikation, die auch gegen Angriffe von Quantencomputern geschützt ist. Die Detektion einzelner Photonen, und damit die Bestimmung ihres Zustands, ist dabei elementar für die quantenbasierte Kommunikation. Wichtige Leistungsparameter der quantenbasierten Kommunikation, wie etwa die Übertragungsrate, hängen maßgeblich von der Art der verwendeten Einzelphotonendetektoren ab. Um Quantenkommunikationssysteme in der Industrie einzusetzen, müssen sowohl die Skalierbarkeit als auch ein möglichst breites Anwendungsspektrum der verbauten Detektorlösungen gewährleistet sein. Diese Anforderungen können aktuelle Lösungen nur bedingt erfüllen. So sind beispielsweise supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren, die in Wellenleiter-basierte Schaltkreise eingebettet sind, zwar sehr leistungsfähig, es fehlt aber derzeit an ganzheitlichen Lösungen, die eine möglichst breite industrielle Nutzung dieser Detektoren ermöglichen.
Im Forschungsvorhaben „Skalierbare Mehrkanal-Quantenkommunikationsplattform (MultiQomm)“ soll im Kern ein Detektorchip entwickelt werden, der Wellenleiter-integrierte supraleitende Einzelphotonendetektoren mit unterschiedlichen Detektoreigenschaften beinhaltet, die auf unterschiedliche Anwendungen abgestimmt werden können. Der Detektorchip soll dabei nach einem Baukastenprinzip aufgebaut sein: So können je nach Anwendung unterschiedliche Funktionen kombiniert werden. Im Vorhaben sollen die einzelnen funktionalen Baugruppen zunächst getrennt entwickelt, optimiert und dann monolithisch auf dem Chip integriert werden. Parallel dazu werden notwendige Aufbau- und Verbindungstechnik, ein passendes Kühlsystem sowie Elektronik für den Betrieb des Chips entwickelt und optimiert. Die Ergebnisse werden abschließend mittels eines Demonstrators für den Quantenschlüsselaustausch validiert.
Die Integration unterschiedlicher Wellenleiter-integrierter supraleitender Einzelphotonendetektoren als funktionale Einheiten auf einem Chip ist eine Neuheit. Der geplante Detektorchip ist damit eine „one-fits-all“ Lösung und kann für unterschiedliche Anwendungen in der Quantenkommunikation eingesetzt werden. Die verschiedenen funktionalen Einheiten ermöglichen eine von der Informationsübertragung unabhängige Charakterisierung der Eingangssignale. In der Folge können z. B. Seitenkanalangriffe besser als bisher identifiziert und abgewehrt werden. Der im Projekt entwickelte Demonstrator kann durch nachgelagerte Zertifizierungen und Langzeitstabilitätstests zu einem Produkt für Endkunden weiterentwickelt werden. Aufgrund des Baukastenprinzips lässt sich das System für neue Bedarfe flexibel erweitern und damit in vielen Anwendungen einsetzen.