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



  • Martina Hofmann übernimmt Vorsitz

    Martina Hofmann übernimmt Vorsitz

    Prof. Dr.-Ing. Martina Hofmann von der Hochschule Aalen ist neue Vorsitzende des VDE-Ausschusses Studium, Beruf und Gesellschaft. Neben klassischer Ausschussarbeit will sie die Themen Frauen und Technik sowie Klimaschutz in…

    mehr lesen: Martina Hofmann übernimmt Vorsitz

  • So können sich Unternehmen schützen

    So können sich Unternehmen schützen

    Eine aktuelle Studie des Digitalverbands Bitkom bewertet Ransomware als Haupttreiber für den enormen Anstieg an Cyberattacken. Die Erpresserangriffe verursachen bei den Betroffenen einen enormen wirtschaftlichen Schaden.

    mehr lesen: So können sich Unternehmen schützen

  • Steuerungstechnik, IT und IoT sicher verbinden

    Steuerungstechnik, IT und IoT sicher verbinden

    Die Vernetzung in der Industrie und das damit verbundene Industrial Internet of Things (IIoT) definieren die Anforderungen an die Sicherheit neu – und damit auch an die eingesetzten Automatisierungslösungen.

    mehr lesen: Steuerungstechnik, IT und IoT sicher verbinden

  • Doppelspitze bei Valantic CEC Schweiz

    Doppelspitze bei Valantic CEC Schweiz

    Florian Heidecke leitet seit Anfang August gemeinsam mit Reto Rutz Valantic CEC in der Schweiz.

    mehr lesen: Doppelspitze bei Valantic CEC Schweiz

  • Maschinen lernen voneinander

    Maschinen lernen voneinander

    Das Kunststoff-Zentrum SKZ in Würzburg führt im Rahmen des Forschungsprojekts Darwin mit dem Fraunhofer Spin-off plus10 mehrere Versuchsreihen durch. Ziel ist die Entwicklung kontinuierlich lernender Modelle, die eine höhere Qualität…

    mehr lesen: Maschinen lernen voneinander

  • Wirtschaftliche Lage in Deutschland im August

    Wirtschaftliche Lage in Deutschland im August

    Das Bruttoinlandsprodukt (BIP) ist im 2. Quartal gewachsen. Damit setzt die deutsche Wirtschaft ihren Erholungskurs fort.

    mehr lesen: Wirtschaftliche Lage in Deutschland im August

  • Digitalisierungsziele werden oft noch nicht erreicht

    Digitalisierungsziele werden oft noch nicht erreicht

    Laut einer Studie von Tata Communications hat die große Mehrheit der 750 befragten Unternehmen ihre Digital-First-Ziele noch nicht erreicht. Dabei werden die Unternehmen in drei Reifegrad-Kategorien eingeteilt.

    mehr lesen: Digitalisierungsziele werden oft noch nicht erreicht

  • Der Fokus liegt auf der Elektromobilität

    Der Fokus liegt auf der Elektromobilität

    Eine gemeinsame Studie von VDA und Deloitte zeigt, dass Automobilzulieferer sich mitten in der Transformation befinden, aktuell jedoch noch 85 Prozent des Umsatzes aus der Verbrennertechnologie generiert wird. Dabei geht…

    mehr lesen: Der Fokus liegt auf der Elektromobilität

  • Förderung für den Messeauftritt

    Förderung für den Messeauftritt

    Kleine und mittlere Unternehmen können für Ihren Auftritt bei bestimmten Messen eine Förderung des BMWi in Anspruch nehmen. Auf bis zu 12.000€ kann sich der Förderbetrag belaufen.

    mehr lesen: Förderung für den Messeauftritt

  • Wenn Cyberangriffe schiefgehen

    Wenn Cyberangriffe schiefgehen

    Ransomware hat sich zu einem kriminellen Geschäft mit hohen Um- und Einsätzen entwickelt. Doch nicht jeder Angriff verläuft wie geplant. Der Security-Anbieter Sophos zählt einige Pannen auf.

    mehr lesen: Wenn Cyberangriffe schiefgehen

  • Universal Robots erzielt +75 Prozent

    Universal Robots erzielt +75 Prozent

    Nach einem großen Umsatzplus im zweiten Quartal rechnet Universal Robots auch im 3. Quartal mit einem zweistelligen Umsatzwachstum.

    mehr lesen: Universal Robots erzielt +75 Prozent

  • Internationale Lieferketten bleiben bestehen

    Internationale Lieferketten bleiben bestehen

    Deutsche Unternehmen halten an ihren international aufgestellten Lieferketten fest — trotz der Probleme während der Pandemie. Dabei setzen Großunternehmen auf mehr Zulieferer, kleinere und mittlere Unternehmen auf mehr Lagerhaltung, so…

    mehr lesen: Internationale Lieferketten bleiben bestehen