Wer die Vorteile kleiner Quanten nutzen will, muss in größeren Dimensionen denken. Allein das Erzeugen qualifizierter Zufallszahlen, also solcher Zahlen, die tatsächlich und absolut zufällig sind, braucht ein ganzes Labor oder zumindest einen überdimensionalen Tisch, damit das nötige Equipment mit all den Lasern, Spiegeln und Gerätschaften Platz findet. »Dieses Beispiel zeigt, wie aufwendig, sperrig und teuer das Nutzen des Quanten-Ökosystems noch ist - als ob die Quantenkommunikation an sich nicht schon die volle Aufmerksamkeit der Forscher*innen nötig machen würde«, sagt Hauke Conradi vom Fraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut, HHI.

Im Projekt »UNIQORN« will das HHI gemeinsam mit weiteren wissenschaftlichen Institutionen aus Belgien, Österreich, den Niederlanden, Israel, Italien, Griechenland, Dänemark und Deutschland deshalb Methoden entwickeln, grundlegende Quantentechnologien so zu miniaturisieren, dass sie auf Chip-Größe schrumpfen können. Die beteiligten Forscher*innen wollen die Vorteile quantenmechanischer Eigenschaften wie beispielsweise die Verschränkung oder auch gequetschtes Licht erstmals sozusagen »to go« ermöglichen. 

Quantenkommunikation für die Hosentasche

Möglich werden soll das unter anderem durch die photonische Integration. Der Plan dabei ist, phontonische Komponenten wie beispielsweise Filter oder Spiegel zur Umleitung des Lichts so auf einem Chip integrieren zu können, dass der Chip – im Grunde wie Mikrochips auch – in einem klassischen maschinellen Prozess industriell hergestellt werden kann. Der Chip selbst beinhalte dann allerdings weniger mikroelektronische Elemente als nichtlineare Kristalle, Polymer-Lichtwellenleiter, optische Filter und Ein-Photonen-Detektoren, erklärt Conradi. 

»Wir verlassen damit die Welt der großen, ‚optischen Bänke‘, bei denen auf quadratmetergroßen Tischen Spiegel und Laser exakt aufgebaut werden mussten und ziehen in die Welt der Mikrobänke, bei denen alles auf die Größe eines Fingernagels geschrumpft ist«, sagt der Forscher. Sein Ziel ist eine Integrationsplattform, bei der – ähnlich wie bei einem Baukasten – einzelne Elemente, je nach gewünschter Anwendung, kompakt und fest zusammengesteckt werden können. Vorteile, wie die Erzeugung echter Zufallszahlen und Möglichkeiten zur sicheren Schlüsselverteilung für den gesicherten Datenaustausch, würden dann in einen System-on-Chip fest integriert werden können. Dieser wiederrum könnte dann auch für die Satellitenkommunikation genutzt oder unter Umständen sogar in Consumer-Geräten wie etwa Routern verbaut werden. Auch deshalb haben die Forscher*innen ihr Projekt, dass von der Europäischen Kommission im Rahmen der Quantum Flagship Initiative von Horizon 2020 gefördert wird, unterschrieben mit »Affordable Quantum Communication für Everyone« - erschwingliche Quantenkommunikation für alle.

Erschwinglichen Quantenkommunikation für alle

»UNIQORN« ziele allerdings nicht nur darauf ab, die groß angelegten Laboraufbauten mit ihren meterlangen Steckbrettern in millimetergroße Chips zu integrieren. Denn es würden nicht nur 90 Prozent der Kosten und rund 70 Prozent des aktuell noch notwendigen Platzbedarfs eingespart werden. Die Systeme würden aufgrund ihrer kompakten Bauweise auch deutlich robuster und unabhängig etwa von der Raumtemperatur arbeiten. Vereinfacht gesagt: Ein versehentlicher Stoß gegen den Labortisch, der zu einer Verschiebung einzelner Spiegel führen könnte, ist dann ausgeschlossen. Das System ist in sich geschlossen und so fest wie ein Mikrochip. Gelingt das – und vieles spricht dafür – wäre das ein Meilenstein, der nun auch in Bereich der Quantenkommunikation die Lücke zwischen teurer und komplizierter Laboranwendung und der industriellen Nutzung nachhaltig schließt. 

Zweite Quantenrevolution

Im Zentrum der aktuellen Forschungen steht die »mikrooptische Banktechnologie«, die von Conradi und seinem Team entwickelt wird. Dabei werden mit Hilfe von speziell angepassten Mikrolinsen auf dem Chip »optische Freiraumbereiche« geschaffen. So wird es möglich, auf nur einem einzigen der sogenannten mikrooptischen PolyBoard-Chips optische Komponenten wie Filter und nichtlineare Kristalle unterzubringen, zwischen denen die Photonen dann wandern und gezielt gelenkt werden können. Nichtlineare Kristalle beispielsweise sind grundlegend, um verschränkte Photonen zu erzeugen, die dann mit integrierten optischen Komponenten und Funktionalitäten kombiniert werden. Sie sind deshalb beispielsweise Grundlage für Quantenschlüssel zur gesicherten Kommunikation, bei der einzelne Photonen zum Verschlüsseln von Nachrichten genutzt werden. »Durch dieses Konzept erreichen wir, dass Systeme, die die Quantentechnologie nutzen, direkt mit photonischen integrierten Schaltkreisen kombiniert werden können – ohne dass wir Kompromisse bei der Leistungsfähigkeit der mikrooptischen Komponenten machen müssen«, sagt Conradi. 

Masse und Klasse

Mikrooptische Chips zur Nutzung der Quantenkommunikation könnten dann vergleichbaren Herstellungsprozessen unterliegen, wie Wafer, die Hundertfach mikroelektronische Chips tragen. Das Ergebnis können dann – in einigen Jahren – nicht nur maschinell massenhaft produzierte, kostengünstige und platzsparende Miniaturgeräte sein, durch die der Einsatz von Quantentechnologien alltagsnützlich werden wird. Denkbar sind auch weiterführende, mikrooptische Bestückungen: Optische Isolatoren beispielsweise, die Laser stabilisieren und damit die Datenübertragung verbessern oder in Diamanten eingebundene, einzelne Stickstoffatome, die zur exakten Vermessung von Erdmagnetfeldern genutzt werden können. 

Bis dahin dürfte aber noch ein wenig Zeit vergehen. »Die Projektphase von »UNIQORN« endet im Sommer diesen Jahres. Bis dahin werden wir die entscheidende Forschungstrecke hinter uns haben und aller Voraussicht nach einen Demonstrator nutzen können, um die Machbarkeit und die Vorteile miniaturisierter Optik für die Quantenkommunikation auch praktisch unter Beweis stellen zu können«, sagt Conradi. Danach sei es an der Industrie, die Vorteile der Miniaturisierung wieder in große Bahnen zu lenken. 

(aku)