Ein Knoten für das Quanteninternet der Zukunft

pm n quick knoten
Bild: Fraunhofer ILT, Aachen / Ralf Baumgarten

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.

Seiten: 1 2



  • Zuliefermesse für den Maschinenbau

    Zuliefermesse für den Maschinenbau

    In Bad Salzuflen findet am 10. November die FBM statt. Bereits im Vorfeld der Messe können Unternehmen über eine Matchmaking-Plattform feste Termine mit den Ausstellern buchen.

    mehr lesen: Zuliefermesse für den Maschinenbau

  • Umsatzprognose auf Höchststand

    Umsatzprognose auf Höchststand

    Im neuen PWC-Maschinenbaubarormeter blicken mehr als die Hälfte der Unternehmen zwar optimistisch in die Zukunft. Im Vergleich zum Vorquartal ist dieser Wert jedoch zurückgegangen.

    mehr lesen: Umsatzprognose auf Höchststand

  • Produktionserwartungen steigen im September

    Produktionserwartungen steigen im September

    Die Produktionsaussichten in der Industrie haben im September zugelegt. Dabei werden die Pläne der Unternehmen von den derzeitigen Materialengpässen gebremst.

    mehr lesen: Produktionserwartungen steigen im September

  • Partnerschaft zwischen UiPath und CrowdStrike

    Partnerschaft zwischen UiPath und CrowdStrike

    UiPath und CrowdStrike wollen gemeinsam den Schutz von RPA-Prozessen verbessern. Die Zusammenarbeit der beiden Unternehmen soll ein neues Sicherheitsniveau sowie mehr Transparenz bei RPA-Anwendungen bieten, heißt es in der Pressemitteilung.

    mehr lesen: Partnerschaft zwischen UiPath und CrowdStrike

  • Referenzbasis für TRIZ-Werkzeuge

    Referenzbasis für TRIZ-Werkzeuge

    Richtlinie VDI 4521 Blatt 1 ‚Erfinderisches Problemlösen mit TRIZ – Grundlagen und Begriffe‘ legt eine gemeinsame Sprache zur Beschreibung von Inhalten der TRIZ-Methodik fest. Sie bietet eine Referenzbasis zum Vergleich…

    mehr lesen: Referenzbasis für TRIZ-Werkzeuge

  • Ekrem Yigitdoel wird Managing Director

    Ekrem Yigitdoel wird Managing Director

    Mit der Ernennung von Ekrem Yigitdoel zum Managing Director will sich die Open Industry 4.0 Alliance für weiteres Wachstum rüsten. Derzeit gehören dem Zusammenschluss rund 80 Mitglieder an.

    mehr lesen: Ekrem Yigitdoel wird Managing Director

  • Aus Innovation.rocks und Augmentaio wird Svarmony

    Aus Innovation.rocks und Augmentaio wird Svarmony

    Die beiden Unternehmen Innovation.rocks und Augmentaio wollen fusionieren und zukünftig gemeinsam als AR-Spezialist Svarmony am Markt auftreten.

    mehr lesen: Aus Innovation.rocks und Augmentaio wird Svarmony

  • 5G-Ortungslösung für die Industrie

    5G-Ortungslösung für die Industrie

    Im Rahmen einer Partnerschaft haben die Telekom und Trumpf eine Ortungslösung entwickelt, die in einem 5G-Campusnetz betrieben werden kann. Durch den Omlox-Standard lassen sich unterschiedliche Endgeräte miteinander kombinieren.

    mehr lesen: 5G-Ortungslösung für die Industrie

  • Mit Low-Code gegen den Entwicklungsstau

    Mit Low-Code gegen den Entwicklungsstau

    Die Pandemie hat die Digitalisierung beschleunigt, aber auch zu einem zunehmendem Software-Entwicklungsstau geführt, so eine Studie von Mendix. Ein Low-Code-Ansatz kann helfen den damit einhergehenden Problemen zu begegnen.

    mehr lesen: Mit Low-Code gegen den Entwicklungsstau

  • Jochen Weyrauch folgt auf Ralf Dieter

    Jochen Weyrauch folgt auf Ralf Dieter

    Seit 2006 ist Ralf W. Dieter Vorstandsvorsitzender der Dürr AG. Zum Jahresende wird er sein Amt zur Verfügung stellen. Seine Nachfolge tritt Jochen Weyrauch an.

    mehr lesen: Jochen Weyrauch folgt auf Ralf Dieter

  • Zugang zur Formnext nur für Geimpfte und Genesene

    Zugang zur Formnext nur für Geimpfte und Genesene

    Im November findet die 3D-Druck-Messe Formnext in Frankfurt statt. Wie der Veranstalter nun bekanntgegeben hat, kommt dabei die 2G-Regel zum tragen.

    mehr lesen: Zugang zur Formnext nur für Geimpfte und Genesene

  • Lieferengpässe drücken die Stimmung der Automobilindustrie

    Lieferengpässe drücken die Stimmung der Automobilindustrie

    Die Engpässe bei Vorprodukten wirken sich derzeit quasi auf alle Teile der Industrie aus. Besonders davon betroffen ist allerdings die Automobilindustrie, was sich auch in aktuellen Zahlen des Ifo Instituts…

    mehr lesen: Lieferengpässe drücken die Stimmung der Automobilindustrie