QuPAD

Vor etwa 100 Jahren hat die Entwicklung der Quantenmechanik die Grundlagen für eine Reihe von revolutionären Techniken, wie z.B. die Halbleitertechnik, den Laser oder die Atomuhr gelegt. Heute erleben wir eine zweite Welle der Nutzbarmachung der Quantentechnologien, deren Kernstück die gezielte Manipulation, Übertragung und das Auslesen des Quantenzustandes einzelner oder gekoppelter Quantensysteme ist. Damit werden abermals völlig neuartige Möglichkeiten für Anwendungen in der Informationsübertragung und -verarbeitung, der Bildgebung oder der Sensorik ermöglicht.

Ein Beispiel für eine bereits relativ weit fortgeschrittene Anwendung der neueren optischen Quantentechnologien ist die Quantenkommunikation und insbesondere die Quantenschlüssel-Verteilung (Quantum Key Distribution – QKD). Während etablierte klassische Verschlüsselungsverfahren heute noch als sicher gelten können, wird gerade die zweite Generation der Quantentechnologien mit dem in greifbare Nähe rückenden Quantencomputer diese Situation ändern. Ein Ausweg aus diesem Dilemma ist der Einsatz quantentechnologischer Verfahren auch auf der Kommunikationsseite. Entsprechende Verfahren und Protokolle sind heute bekannt, leiden aber unter Reichweiten- und insbesondere Geschwindigkeitsproblemen in der Erzeugung der geheimen Schlüssel, was den Einsatz in urbanen Netzen unpraktikabel macht.

Das Hauptziel von dem Projekt QuPAD besteht darin, speziell optimierte Komponenten bereitzustellen, mittels derer um Größenordnungen höhere Raten in der Erzeugung der geheimen Schlüssel in einem geeigneten QKD-Protokoll erzielt werden können. Hierzu ist es notwendig den Detektionszeitpunkt von einzelnen Photonen, höchst präzise zu erfassen. Es sollen daher zwei neuartige Schlüsselkomponenten entwickelt werden: ein Detektor mit sehr hoher Einzelphotonenempfindlichkeit bei der 1550 nm Telekommunikations-Wellenlänge, basierend auf der Superconducting nanowire single-photon detector Technologie, sowie eine dazu passende Elektronik zur Pikosekunden-genauen Bestimmung der Ankunftszeiten.

Der zentrale Innovationsansatz besteht dabei darin, nicht nur den einzelnen Detektor in Bezug auf Detektionseffizienz, Geschwindigkeit und Zeitauflösung zu optimieren, sondern gleichzeitig den Detektor und die damit verbundene Zeitmesselektronik zu parallelisieren und für hohen Datendurchsatz auszulegen. Auf diese Weise entstehen viele unabhängig voneinander arbeitende Detektoren in Form eines Arrays.

Aufgabe des Fraunhofer HHIs in diesem Projekt ist die Demonstration der entwickelten Detektorkomponenten innerhalb eines QKD Demonstrators, bei denen die vielen parallelisierten Detektoren zu besonders hohe Schlüsselraten führen sollen.