Hochintegrierte photonische Schaltkreise für die sichere Authentifizierung im Quantenzeitalter
In Zukunft wird die Quantenkommunikation ein wichtiger Baustein für die Sicherheit digitaler Infrastrukturen in unserer Gesellschaft sein. Denn bei der Quantenkommunikation basiert der Austausch kryptografischer Schlüssel auf grundlegenden physikalischen Gesetzen, wodurch die Sicherheit auch bei Angriffen durch Quantencomputer gewährleistet bleibt. Neben einer sicheren Datenübertragung bietet die Quantenkommunikation auch neue Möglichkeiten, um Nutzende digitaler Systeme sicher zu authentifizieren und private Daten in einem Netzwerk sicher zu speichern. Sogenannte Quantentoken könnten in Zukunft all dies gewährleisten. Analog zu heute gängigen Security Token wie Bankkarten, Transpondern oder Transaktionsnummern sind Quantentoken als Authentifizierungslösung unter Nutzung quantenphysikalischer Eigenschaften denkbar. Auf dem Weg zu ihrer Realisierung gilt es für die Forschung, wichtige Schlüsselparameter quantenphysikalischer Systeme, beispielsweise Quantenspeicher, weiter zu verbessern und effiziente Einsatzmöglichkeiten zu finden.
Im Verbundvorhaben „Quanten-Photonisch Integrierter Skalierbarer Speicher (QPIS)“ entwickeln die Forschenden eine hocheffiziente und skalierbare Quantenspeicherarchitektur für einen solchen Quantentoken. Das Konzept kombiniert dabei photonisch integrierte Schaltkreise (PIC) mit Farbzentren in Diamant. Die optisch aktiven Farbzentren sind dabei in kleinste Resonatoren eingebettet, in denen jeweils ein quantenmechanischer Zustand kodierbar ist, ein sogenanntes Quantenbit (Qubit). Die PIC mit supraleitenden Einzelphotonendetektoren ermöglichen die gezielte Speicherung und Auslese dieser Qubits. Der theoretische Teil der Forschung zielt auf ein tieferes Verständnis der sogenannten Dekohärenzmechanismen im Quantensystem, also auf Prozesse, die zu einem unerwünschten Zerfall der quantenmechanischen Zustände beitragen und so die Speicherdauer der Zustände reduziert. Die kodierte Information in diesen Qubits geht durch diese Prozesse somit verloren. Daher sollen theoretische Untersuchungen Anhaltspunkte zu Strategien liefern, um die Speicherdauer, Effizienz und Speicherkapazität der Quantensysteme zu verbessern.
Das Verbundvorhaben setzt auf ein photonisch integriertes Quantensystem, welches die Erzeugung, Speicherung und Messung einzelner photonischer Quantenzustände vollständig abdeckt. Überdies soll die Anwendung von Zinn als Farbzentrum in Diamant neben dem bereits gut erforschten Stickstoff untersucht werden. Das Forschungsteam verspricht sich dadurch wesentlich verbesserte Leistungscharakteristika, die für effiziente Quantenspeicher mit hohen Speicherzeiten von Bedeutung sind. Dadurch können Quantentoken realisiert werden, die durch ihren kompakten und hochintegrierten Aufbau der breiten Anwendung einer sicheren Authentifizierung den Weg bereiten. Mit den im Rahmen des Vorhabens angemeldeten Patenten wird eine Ausgründung angestrebt.