27.08.2021

Vernetzte Quantenrechner

Neues Projekt für die Entwicklung von Quantennetzwerken.

Optische Quanten­netzwerke bilden die Basis für zukünftige Technologien wie den Quanten­computer oder das Quanteninternet. Eine Heraus­forderung bei der Realisierung solcher Netzwerke ist bislang die Notwendigkeit, viele Bauteile in einem großen System miteinander zu verschalten. Wissenschaftler der Universität Paderborn wollen diese Hürde im Rahmen des Forschungsprojekts „Qinos“ –Quanten­bauelemente – integriert, optisch, skalierbar –mithilfe dünner Schichten aus Lithiumniobat überwinden. Ziel ist es, ein einfaches integriertes Quanten­netzwerk zu entwickeln, das die Basis­funktionalitäten großer Netzwerke demonstrieren soll. Das Vorhaben wird vom Bundes­ministerium für Bildung und Forschung ab September für zwei Jahre mit rund 1,9 Millionen Euro gefördert. 

Abb.: Ein integriert photonisches Quanten­bauelement mit direkter...
Abb.: Ein integriert photonisches Quanten­bauelement mit direkter Faser­ankopplung für die Forschung an Quanten­netzwerken. (Bild: B. Mazhiqi, U. Paderborn)

Für Quanten­anwendungen ist Dünnschicht-Lithium­niobat (LNOI) ein vielver­sprechender Kandidat: „Es ermöglicht bisher nicht umsetzbare Funk­tionalitäten wie schnelle elektro­optische Schalter oder hocheffiziente Photonen­paarquellen. Photonen sind kleine Lichtteilchen, aus denen elektro­magnetische Strahlung besteht“, sagt Christof Eigner, Projektleiter in der Gruppe für Integrierte Quantenoptik. Die Wissen­schaftler entwickeln mit dem Material einen neuartigen skalierbaren Ansatz, um eine Vielzahl von funktionalen Elementen miteinander zu verbinden.

„Die heraus­ragenden Eigenschaften von Lithiumniobat werden heutzutage zum Beispiel schon sehr häufig in der Telekommuni­kations­industrie genutzt. Allerdings stoßen konventionelle Lithiumniobat-Bauteile an ihre Grenzen, insbesondere im Hinblick auf die Integrations­dichte, also der maximalen Anzahl von Quellen und Schaltern, die auf einem Bauteil kombiniert werden kann. LNOI adressiert genau diese Schwächen. So können hochpräzise Strukturen mittels Lithographie auf Substrate übertragen werden. Damit lassen sich komplexe Quantenschalt­kreise mit hohem Anwendungs­potenzial verwirklichen, die auf anderen Material­plattformen in dieser Form nicht umsetzbar sind“, sagt Eigner.

Die Physiker entwickeln ein Netzwerk, bei dem eine integrierte Photonen­paarquelle mit einem integrierten wellenlängen­selektiven Strahlteiler kombiniert wird. Erzeugt werden die Photonen durch Laserlicht. Anschließend werden die Paare aufgetrennt und in unterschiedlichen Ausgängen für die Endnutzung zur Verfügung gestellt. Eigner: „Damit zeigen wir die effi­ziente Erzeugung von Quantenlicht und das Routing, also quasi das Steuern von Photonen in einem Quanten­netzwerk.“ 

Auf Basis der im Projekt erzielten Ergebnisse könnten in Zukunft multi­funktionale, anwendungs­orientierte Quanten­bauelemente realisiert und zu großen, komplexen Netzwerken verschaltet werden. Darüber hinaus soll durch die Einbindung von Industrie­partnern die gesamte Wertschöpfungs­kette für die photonische Quanten­hardware in die industrielle Anwendung geführt werden. Das Team rechnet bereits im nächsten Jahr mit ersten Ergebnissen. 

U. Paderborn / JOL

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