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



  • Mehrheit der Industrieunternehmen geht gestärkt aus der Krise

    Mehrheit der Industrieunternehmen geht gestärkt aus der Krise

    57 Prozent der Unternehmen aus der verarbeitenden Industrie gehen davon aus, gestärkt aus der Coronakrise hervorzugehen. Das geht aus einer Studie von Sopra Steria und dem F.A.Z.-Institut hervor. Um diese…

    mehr lesen: Mehrheit der Industrieunternehmen geht gestärkt aus der Krise

  • Agile Methoden liegen im Trend

    Agile Methoden liegen im Trend

    Das sogenannte Wasserfall-Prinzip in der Software-Entwicklung kommt immer seltener zum Einsatz. Häufiger sind agile Methoden wie die ’Continuous Integration’, bei denen Software in kleinen Einheiten kontinuierlich erweitert und verbessert wird.…

    mehr lesen: Agile Methoden liegen im Trend

  • LiefKettG nimmt Schutz von Arbeitnehmern und Umwelt in den Fokus

    LiefKettG nimmt Schutz von Arbeitnehmern und Umwelt in den Fokus

    Das Bundeskabinett hat im März den Entwurf für das neue Lieferkettengesetz beschlossen. Wird das Gesetz in dieser Form erlassen, so werden in deutschen Unternehmen einige Änderungen erforderlich. Der Softwareanbieter Comarch…

    mehr lesen: LiefKettG nimmt Schutz von Arbeitnehmern und Umwelt in den Fokus

  • Siemens mit deutlicher Gewinnsteigerung im 2. Quartal

    Siemens mit deutlicher Gewinnsteigerung im 2. Quartal

    Siemens beendet das erste Halbjahr des laufenden Geschäftsjahres mit positiven Neuigkeiten. Umsatzerlöse und Gewinn legen kräftig zu.

    mehr lesen: Siemens mit deutlicher Gewinnsteigerung im 2. Quartal

  • Mehr Investitionen in Forschung und Entwicklung

    Mehr Investitionen in Forschung und Entwicklung

    Insgesamt 8,2Mrd.€ hat der Maschinen- und Anlagenbau im Jahr 2019 für Forschung und Entwicklung ausgegeben. Auch in der Pandemie behalten F&E-Ausgaben einen hohen Stellenwert.

    mehr lesen: Mehr Investitionen in Forschung und Entwicklung

  • Sicherheitsrisiko neu definieren – Hacker engagieren

    Sicherheitsrisiko neu definieren – Hacker engagieren

    IT-Sicherheit ist ein wichtiges Thema für jedes Unternehmen. Denn kommt es zu einem erfolgreichen Angriff kann dies teuer werden. Durch die Nutzung sogenannter Bug-Bounty-Plattformen können Unternehmen kriminellen Hackern vorgreifen.

    mehr lesen: Sicherheitsrisiko neu definieren – Hacker engagieren

  • Zusammenarbeit funktioniert nur in jedem fünften Unternehmen

    Zusammenarbeit funktioniert nur in jedem fünften Unternehmen

    Corona stellt Unternehmen und deren Mitarbeiter nach wie vor auf eine harte Probe. Laut der Studie ‚Kollaboration – Erfolgsfaktor Zusammenarbeit‘ schaffen es aktuell nur 22 Prozent der Unternehmen, eine Zusammenarbeit…

    mehr lesen: Zusammenarbeit funktioniert nur in jedem fünften Unternehmen

  • Bestellungen im März und im 1. Quartal steigen

    Bestellungen im März und im 1. Quartal steigen

    Im März haben die Bestellungen im Maschinen- und Anlagenbau im Vergleich zum Vorjahr deutlich zugelegt. Dabei kamen sowohl aus dem Aus- als auch aus dem Inland positive Signale.

    mehr lesen: Bestellungen im März und im 1. Quartal steigen

  • Der Weg zur effizienten Datenstrategie

    Der Weg zur effizienten Datenstrategie

    Viele deutsche Mittelständler bieten innovative Produkte an, tun sich aber oft schwer, operative Prozesse mithilfe von Daten tatsächlich zu verbessern und wichtige Entscheidungen auf Basis ihrer Daten zu fällen. Der…

    mehr lesen: Der Weg zur effizienten Datenstrategie

  • Mehr Cybersicherheit für Fernwartungs-Router

    Mehr Cybersicherheit für Fernwartungs-Router

    HMS hat die neue Fernwartungs-Router-Generation Ewon Cosy+ auf erhöhte Sicherheit ausgelegt. Die Geräte bieten nicht nur moderne hardware-implementierte Sicherheitsmechanismen, sondern auch automatische Updates signierter Firmware über die firmeneigene Plattform Talk2M.

    mehr lesen: Mehr Cybersicherheit für Fernwartungs-Router

  • Catherine Kniker wird CSO bei PTC

    Catherine Kniker wird CSO bei PTC

    Mit dem Wechsel von Kathleen Mitford zu Microsoft wird Catherine Kniker zur EVP (Executive Vice Presdient) und Chief Stategy Officer bei PTC ernannt.

    mehr lesen: Catherine Kniker wird CSO bei PTC

  • Carsten Stiller wird Geschäftsführer bei Cybus

    Carsten Stiller wird Geschäftsführer bei Cybus

    Gemeinsam mit CEO Peter Sorowka leitet Carsten Stiller seit 1. April das Softwareunternehmen Cybus. Er verantwortet die Bereiche Marketing und Vertrieb.

    mehr lesen: Carsten Stiller wird Geschäftsführer bei Cybus