Zum Start des Internationalen Jahres der Quantenwissenschaft und -technologie 2025 der Unesco richtet Nordrhein-Westfalen einen ersten Knoten für das Quanteninternet ein. Ein Team des Fraunhofer-Institut für Lasertechnik ILT hat das bei TNO im niederländischen Delft entwickelte System Mitte Januar nach Aachen geholt, um es hier zu erproben, weiterzuentwickeln und erste regionale Verbindungen in Richtung Jülich und Bonn aufzubauen.
Zwar werden Quantencomputer herkömmliche PC auf absehbare Zeit nicht ersetzen, da ihr Betrieb aus heutiger Sicht zu aufwendig ist. Um dennoch vielen Anwendern aus der Industrie und Wissenschaft Zugriff auf die leistungsfähigen Rechner zu verschaffen, unterschiedliche Quantencomputerplattformen miteinander verbinden zu können oder verschränkte Qubits zur sicheren Verschlüsselung sensibler Daten nutzbar zu machen, treibt ein internationales Team unter Leitung des QuTech im niederländischen Delft die Entwicklung so genannter ‚Metropolitan Scale Quantum Networks‘ voran. Diese aus technischen Gründen bisher nur lokal oder regional umsetzbaren Netzwerke gelten als Keimzellen des Quanteninternets der Zukunft. Für Langstreckenverbindungen fehlen Repeater, welche die von Einzelphotonen übertragenen Signale verstärken, ohne die Quantenverschränkung zu lösen. Simples Klonen der Photonen wie im herkömmlichen Übertragungsnetzen scheidet aufgrund der Gesetzmäßigkeiten der Quantenphysik aus.
Quantencomputer verbunden
Dennoch meldete das Forschungsteam kürzlich einen Durchbruch. Es hat zwei Quantencomputer in Delft und Den Haag mit 25 km unterirdischer Glasfaser verbunden und darüber reproduzierbar den Zustand so genannter Quantenverschränkung erzeugt. Hintergrund: Verschränkte Quanten nehmen einen gemeinsamen Quantenzustand ein und halten diesen auch über räumliche Trennungen hinweg aufrecht. Albert Einstein sprach einst von einer „spukhaften Fernwirkung“.
In Delft wird diese Verschränkung mit Einzelphotonen erzeugt, welche von Qubits in den Netzwerkknoten emittiert werden. Bei den Qubits – so genannte Diamant-Spin-Qubits – handelt es sich um den im Kristallgitter künstlicher Diamanten eingefangenen Spin einzelner Elektronen. Präziser: Er wird in gezielt eingebrachten Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) gefangen, dort mit Mikrowellensignalen und Magnetfeldern kontrolliert und lässt sich mithilfe von Lasern auslesen. Das Auslesen resultiert in der Emission eines Photons mit 637nm Wellenlänge, das die Information über den Zustand des Qubits trägt und transportieren kann.
Eine der zentralen Herausforderungen für die Forschenden ist es, die in alle Richtungen und jenseits üblicher Telekomwellenlängen emittierten Photonen effizient und rauscharm in die Glasfaser zu leiten. Das Team setzt hier auf eine spezifisch geformte, direkt in den Diamantchip integrierte Optik und einen nahezu rauschfreien Quantenfrequenzkonverter, den das Fraunhofer ILT entwickelt hat. Eine weitere Weitere Herausforderung ist etwa die Stabilität der Verbindung, die über die 25 km lange Glasfaser Genauigkeiten in Größenordnung einer Wellenlänge der Photonen einhalten muss. Die Forschenden vergleichen dies mit der Aufgabe, den Abstand zwischen der Erde und dem Mond auf wenige Millimeter genau konstant zu halten.
Hier war das Zusammenspiel von Forschung und angewandter Technik gefragt: Neben QuTech und dem Fraunhofer ILT waren der niederländische Timing-Hardware-Spezialist OPNT, Element6 als Anbieter von synthetischen Diamanten und Qubit-Chip-Substraten sowie Toptica Photonics als Spezialist für hochstabile Laser an dem Projekt beteiligt.
Erster deutscher Quanteninternetknoten entsteht in Aachen
Die Kooperation hat neben der Verbindung zwischen Den Haag und Delft mittlerweile mit Mitteln aus dem nordrhein-westfälischen Förderprojekt N-QUIK einen weiteren, auf Basis der gesammelten Erfahrungen optimierten Quanteninternetknoten realisiert. Das TNO und das Fraunhofer ILT haben unter anderem das Design so überarbeitet, dass nun einzelne Komponenten im Testbetrieb leichter austauschbar sind. Zudem hat das Aachener Institut verschiedene optische Baugruppen beigesteuert. Nach der Montage und einer Testbetriebsphase inklusive seiner Charakterisierung bei TNO in Delft hat der Knoten Mitte Januar den Weg nach Aachen gefunden. Schon während des Aufbau- und Testphase waren Forschende des Fraunhofer ILT aktiv beteiligt und wurden im Rahmen des niederländisch-deutschen Technologietransfers von ihren TNO-Kolleginnen und Kollegen für den Betrieb des Systems geschult. Sie sollen den Netzwerkknoten in Aachen betreiben, systematisch weiterentwickeln und photonische Komponenten optimieren sowie nach und nach erste „Metropolitan Scale Quantum Networks“ in NRW etablieren.
„Wir haben damit ein praktisches Testfeld, in dem wir diese Technologie gemeinsam mit Partnern aus der Industrie und Wissenschaft zur Marktreife entwickeln möchten“, erklärt Dr. Bernd Jungbluth, der das strategische Programm Quantentechnologien am Fraunhofer ILT leitet. Zugleich ist er Koordinator der Quanten-Roadmap NRW, welche dem Aufbau von Quantennetzwerken hohe strategische Bedeutung beimisst. Deren Potenzial geht laut Jungbluth über die Verschlüsselung per Quantum Key Distribution (QKD) hinaus. „In unserer Vision werden Metropolitan Scale Quantum Networks sehr leistungsfähige, sichere Verbindungen zwischen Quantencomputern sowie zwischen Quantensensoren ermöglichen“, sagt er. Anwendungen wie das Distributed Quantum Computing seien denkbar, das mehrere Rechner zu einem Quantensystem verschaltet, um deren Kapazität und Performance schnell zu skaliere. Auch in Hinblick auf sichere Remote-Zugriffe auf die anfangs nur begrenzt verfügbaren Quantencomputer seien Quantennetzwerke wichtig. Beides könnte demnächst in Form einer Verbindung vom Aachener Knoten zum Helmholtz Quantum Center auf dem Quantencampus Jülich konkret werden. Auch die Anbindung an das Backbone eines zentralen deutschen Testnetzwerks in Bonn ist laut Jungbluth angedacht.
Repeater-Problematik lösen
Nach und nach könnten so weitere Forschungs- und Industriestandorte in der Region, in ganz Nordrhein-Westfalen und mit zunehmender technologischer Reife bundesweit angebunden werden. Dafür gilt es, die durch das ‚No Cloning Theorem‘ begründete Repeater-Problematik zu lösen, die einem weitläufigen grenzüberschreitenden Quanteninternet entgegen steht. „Wir möchten diese Zukunftstechnologie in NRW vorantreiben und dabei unsere Standortvorteile nutzen: Es gibt im Land eine hervorragende Fach-Community aus der Wissenschaft und Industrie, eine breite Basis an potenziellen Anwendern sowie kurze Wege in den Metropolregionen – und nicht zu vergessen: unsere zentrale Lage in Europa. Das Quanteninternet kann von hier aus in alle Richtungen wachsen“, erklärt Jungbluth.
