Verbundprojekt »QFC-4-1QID«

Zu den weltweit führenden Forschungszentren in den Bereichen Quantencomputing und Quanteninternet zählt das QuTech im niederländischen  Delft. 2014 gründeten die Technische Universität Delft und die Niederländische Organisation für Angewandte Naturwissenschaftliche Forschung TNO die Kollaboration, die sowohl wissenschaftlich ausgerichtet ist als auch den  Engineering-Bereich bedient.

Im September 2019 startete das von der Fraunhofer-Gesellschaft geförderte ICON-Projekt »Low-Noise Frequency Converters for the First Quantum Internet Demonstrator – QFC-4-1QID« mit Laufzeit von zunächst drei Jahren, in dem Wissenschaftler des Fraunhofer ILT und von QuTech gemeinsam Quanten-Frequenzkonverter (QFC) entwickeln. Dabei handelt es sich um Schlüsselkomponenten für die Demonstration des ersten Quanteninternets am QuTech. Qubits in Delft, Leiden, Den Haag und Amsterdam sollen dann mittels Glasfasern zu einem gemeinsamen Quantensystem verbunden werden.

Frequenzkonverter für das Quanteninternet

Für Quanteninternet-Technologien ist es entscheidend, von einzelnen Qubit-Systemen erzeugte Photonen gezielt auszukoppeln und für ein Netzwerk nutzbar zu machen. An einigen Stellen im Netzwerk muss eine Wandlung von Photonen-Wellenlängen stattfinden, sodass mehrere verschiedenartige Qubits miteinander verbunden werden können. Die ICON-Partner entwickeln und optimieren dazu rauscharme und effiziente Quantenfrequenz-Konverter, die die Quantenzustände der Einzelphotonen erhalten.

Es stehen zwei Ansätze im Mittelpunkt, die in Aachen und Delft parallel realisiert und direkt miteinander verglichen werden. Grundlegende Basistechnologien, Methoden sowie Geräte zur Charakterisierung und zum Aufbau der Bauteile müssen dabei nur einmal entwickelt werden. Die technische Umsetzung wird zunächst mit Laboraufbauten realisiert. Später folgt die Entwicklung von nutzbaren Prototypen und integrierten Bauteilen, etwa in geförderten Folgeprojekten und F&E-Kooperationen mit der Industrie.

Als Qubits kommen Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) in Diamant zum Einsatz, die Photonen mit der Wellenlänge 637 nm emittieren. Aus pragmatischen Gründen soll die Quantenkommunikation über herkömmliche bereits verlegte Glasfasern realisiert werden. Für die Langstrecken-Verbindungen sind dann Wellenlängen erforderlich, die in den Telekommunikations-Bändern im Bereich zwischen 1500 nm und 1600 nm liegen, sodass Übertragungsverluste möglichst gering sind. Eine große Herausforderung ist das Design von Konvertern mit einer hohen Gesamt-Konversionseffizienz. Diese sollen nur wenige Rauschsignale erzeugen bzw. ins Ausgangssignal durchlassen.

Geringes Rauschen und hohe Effizienz gefragt

Am Fraunhofer ILT steht die Entwicklung rauscharmer Konverter im Vordergrund, bei denen Überhöhungskavitäten und nichtperiodisch gepolte Kristalle eingesetzt werden. Dieser Ansatz hat potentiell den Vorteil, dass nicht viele parasitäre parametrische Prozesse auftreten und nur wenige Rausch-Photonen entstehen. Hier gilt es herauszufinden, ob eine genügend hohe Effizienz für die Umwandlung der Einzelphotonen-Wellenlängen erreichbar ist.

Nach Aufbau und Evaluation der verschiedenen Ansätze für die Quanten-Frequenzkonversion soll die Technologie in einer späteren Projektphase an Halbleiter-Spin-Qubit-Systeme adaptiert werden, die im Institut für Quanteninformation der RWTH Aachen University erforscht werden.