Quantenphotonik: Abhörsichere Kanäle und hochgenaue Sensoren

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Fraunhofer-Forscher arbeiten an einer universellen Plattform, mit der sich eine abhörsichere Quantenkommunikation erstellen lässt oder hochgenaue Quantensensoren. Dabei spielen Glasfasern eine entscheidende Rolle.

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Die quantenphotonische Plattform des Fraunhofer IZM nutzt optische Technologien in Leiterplatten, um mit Quanten zu rechnen.
Die quantenphotonische Plattform des Fraunhofer IZM nutzt optische Technologien in Leiterplatten, um mit Quanten zu rechnen.
(Bild: Fraunhofer IZM)

Wer kennt nicht Schrödingers Katze? Ist sie in der Kiste tot oder lebendig? Während die Kiste verschlossen ist, kann die Katze beide Zustände haben. Beendet man das Experiment und öffnet die Kiste, wird ein Zustand festgelegt. Im ersten Moment erscheint das Experiment eher wie ein philosophisches Paradoxon. Doch es ist ein Grundprinzip der Quantentheorie, die sogenannte Superposition. Sie ist eine der vielen Besonderheiten von Quanten, die die Grundlage vieler physikalischer Gesetze legen.

Quantentechnologien sind schon über ein halbes Jahrhundert Teil unseres Alltags. So sind der klassische Laser und die Atomuhr quantentechnologische Geräte der ersten Generation. Nun stehen Forscher vor einer neuen Ära: Sie können die Zustände einzelner Quanten nicht nur auslesen, sondern aktiv anregen und sogar manipulieren. Mit dieser zweiten Quantenrevolution eröffnen sich völlig neue Anwendungen in der Kommunikation, der Simulation, dem Computing und der Sensorik. Allerdings sind dazu noch recht komplizierte und energiefressende Laboraufbauten notwendig, um mit den so genannten Qubits zu messen oder zu rechnen.

Vorteil von Glasfasern gegenüber Halbleitern

Forscher des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM haben es sich deshalb zur Aufgabe gemacht, den Schritt von der universitären Grundlagenforschung hin zu industriellen und kommerzialisierbaren Anwendungen zu gehen. Um kostengünstige Geräte zur realisieren, setzen sie auf technische Lösungen aus der Telekommunikation. Dort sind Photonen, also Lichtteilchen, die Träger der quantenmechanischen Information. Für ihre Übertragung und Manipulation sind bereits Protokolle und Infrastrukturen in Form von speziellen Leiterplatten vorhanden.

Eine große Chance für Anwendungen in der Quantenkommunikation sehen die Forscher im Einsatz von optischen Wellenleitern, die in Glas integriert sind. Der klare Vorteil von Glasfasern gegenüber Halbleitern liegt darin, dass Glas transparent für Nahinfrarot-Wellen ist, welche bei Quantentechnologien genutzt werden. Außerdem weist Glas als optischer Wellenleiter deutlich weniger Verluste auf, stellt eine geringere Reststreuung des Lichts sicher, ist in der Produktion kostengünstiger und recycelbar.

Glasbasierte Chips und die Quantensensorik

Der Einsatz dieser glasbasierten Chips in Kombination mit der Quantenphotonik erlaubt es, abhörsichere Kommunikationswege zu realisieren, wie sie im Bankenwesen, für die öffentliche Sicherheit und den Anspruch von souveränem Datenschutz unabdingbar sind. Die Crux der quantenphotonischen Verschlüsselung liegt darin, dass sich der Zustand eines Photons nach dem Auslesen unweigerlich verändert. Somit ist es dem Empfangenden möglich, zu erkennen, ob die Information auf ihrem Weg abgefangen, ausgelesen oder reproduziert wurden. Dieses Abfangen im Kommunikationskanal zu erkennen und somit Datenleaks und Hackerangriffe zu verhindern, ist mit klassischen elektronischen Verschlüsselungsmethoden nicht möglich.

In der Quantensensorik machen sich die Experten den Umstand zunutze, dass sich Qubits wie Wellen überlagern können. Die dabei entstehende quantenmechanische Phase reagiert extrem empfindlich, wodurch sogar einzelne Atome ausgemessen werden können. Auf diese Weise entstehen Sensoren etwa für Gravitations- und Magnetfelder, die im Vergleich zu klassischen Sensoren eine bislang unerreichte Genauigkeit erreichen. Zudem ermöglicht diese Lösung, Messungen auf absolutem Niveau, womit auf das Kalibrieren von Sensoren verzichtet werden kann.

Damit die hochgenauen Sensoren nicht von unerwünschten Umwelteinflüssen gestört werden, entwickeln die Forscher isolierende Vakuumkammern auf Glas, so dass die Quantensensoren auch außerhalb von Laboren eingesetzt werden können.

Dr. Wojciech Lewoczko-Adamczyk und Oliver Kirsch, wissenschaftliche Mitarbeiter am Fraunhofer IZM, kennen die Vorteile der Quantensensorik: „Durch die Vakuumkammern auf Glas ist der Einsatz quantenmechanischer Sensoren auch an Orten möglich, an denen bislang nicht daran zu denken war, etwa als Biosensoren. Durch Messungen einzelner Atome, deren Spektren auf Magnetfelder reagieren, werden mithilfe von Licht Einblicke in die Magnetfelder von Herz oder Gehirn möglich, die medizintechnische Aufnahmen mit CT oder MRT ergänzen.“

Dabei versuchen die Forscher, die Sensorsysteme so weit zu miniaturisieren, dass sich Patienten während der Untersuchung sogar frei bewegen können. „Auch in der Lebensmittelforschung und Medizintechnik können Quantensensoren einen Beitrag leisten, da bei extrem geringer Konzentration von Viren oder Bakterien in einer Lösung weit über die herkömmlichen Standards hinaus gemessen werden kann“, führt Oliver Kirsch weiter aus.

Quantenphotonische Geräte schnell entwickeln

Doch die Vision der Forscher ist größer als nur die Entwicklung einzelner Produkte: Dazu soll eine universelle Plattform entstehen, die es ermöglicht, quantenphotonische Geräte schnell und dem Kundenwunsch entsprechend aufzubauen. Hierfür werden in ein Glassubstrat wenige Mikrometer schmale Wellenleiter integriert, die das Licht gezielt dorthin führen, wo die Quanten angeregt und ausgelesen werden können. Zusätzlich wird das Glassubstrat mit Strukturen metallisiert, um auch elektrische Signale weiterzuleiten. Auf diese Weise entsteht eine Plattform, die optische und elektrische Informationen auf Quantenebene vereint – eine elektrooptische Leiterplatte.

Um diesem Ziel näher zu kommen, haben die Forscher der Gruppe Quantum Photonic Packaging ihre photonischen Technologien so weit optimiert, dass sie für den Einsatz im Quantenbereich geeignet sind. In mehreren Projekten wollen sie die Quantentechnologien am Fraunhofer IZM bis zur industriellen Fertigung vorantreiben.

Details zur Quantenphotonik (externer Link)

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