Ein Stück näher am Quanteninternet

VECSEL Aufbau fuer QFC web
Bild: Fraunhofer IAF

Mit dem Glasfaserausbau steigt nicht nur die Bandbreite herkömmlicher Internetanschlüsse, sondern auch die Realisierung eines globalen Quanteninternets rückt näher. Dieses verspricht etwa ein wesentlich leistungsstärkeres Quantencomputing durch die Verknüpfung von Quantenprozessoren und -registern, sicherere Kommunikation durch Quantenschlüsselverteilung oder präzisere Zeitmessungen durch die Synchronisierung von Atomuhren.

Eine Hürde auf dem Weg bilden Differenzen zwischen dem Glaserfaserstandard von 1.550nm und den Systemwellenlängen der verschiedenen, bisher realisierten Quantenbits (Qubits), die meist im sichtbaren oder nahinfraroten Spektralbereich liegen. Forschende wollen diese Hürden mithilfe der Quantenfrequenzkonversion überwinden. Diese kann die Frequenzen von Photonen gezielt verändern und dabei alle anderen Quanteneigenschaften erhalten. Dies ermöglicht die Umwandlung in den 1.550nm-Telekombereich für eine verlustarme und langreichweitige Übertragung der Quantenzustände.

Das Projekt ’HiFi’

In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt ’HiFi – Hochintegrierter Quantenfrequenzkonverter höchster Fidelität auf Basis innovativer Laser-, Faser- und Produktionstechnologie’ arbeiten Forschende an den nötigen Technologien, um Quantenfrequenzkonverter (QFK) mit hoher Effizienz und geringem Rauschen für erste Teststrecken zur Verfügung zu stellen. Ein Team des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Festkörperphysik IAF hat im Rahmen des Projekts Scheibenlaser (auch: vertical-external-cavity surface-emitting-laser, VECSEL) auf Basis von Galliumantimonid (GaSb) entwickelt. Es handelt sich um optisch gepumpte, oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit externem Resonator und Intracavity-Filter für die Wellenlängenselektion.

Die Funktionsweise

„Die von uns im Projekt entwickelten Scheibenlaser sind spektral schmalbandige Pumpquellen, die je nach verwendeter Ausgangswellenlänge der Qubits gezielt eine Wellenlänge zwischen 1,9 und 2,5µm abdecken und bei einer Stabilität der absoluten Wellenlänge von unter 2fm bis zu 2,4W Ausgangsleistung erreichen. Das entspricht einer Frequenzstabilität von unter 100kHz und unterschreitet klar die Frequenzstabilitätsklasse 1E-9. Dieses Ergebnis stellt einen internationalen Bestwert für diese Laser-Art dar“, sagt Dr. Marcel Rattunde, ’HiFi’-Teilprojektkoordinator und Abteilungsleiter für Optoelektronik am Fraunhofer IAF.

„Ermöglicht hat das Ergebnis die enge Kooperation mit dem Projektpartner Menlo Systems. Gemeinsam haben wir den Scheibenlaser auf einen Frequenzkamm gelockt, der wiederum an eine 10-MHz-Referenz gekoppelt war“, sagt Rattunde.

Bei ihren Versuchen haben die Forschenden die Emissionswellenlänge exakt auf die Zielwellenlänge für Demonstrationsexperimente an der Faserstrecke der Universität des Saarlandes eingestellt (2.062,40nm), an die das Fraunhofer IAF das Lasermodul mittlerweile übergeben hat. Neben der Leistungsskalierung bilden das genaue Verständnis des Modenverhaltens der Laser sowie die Identifizierung und Elimination der Rauschquellen die wichtigsten Forschungsaufgaben des Fraunhofer IAF im Projekt.

Voraussetzungen erfüllt

Bei der Quantenfrequenzkonversion wird durch einen Differenzfrequenzprozess in einem nichtlinearen optischen Kristall die Energie des Pumpphotons vom Signalphoton abgezogen. Um einen rauscharmen Prozess zu gewährleisten, muss dabei die Energie der Pumpphotonen unterhalb der Zielwellenlänge (meist 1.550nm) liegen, da sonst der Pumplaser durch parasitäre Effekte Photonen im Ausgangssignal erzeugen kann.

Wie die Forschenden mitteilen, erfüllen die Scheibenlaser in Kombination mit dem Frequenzkamm die hohen Anforderungen der Quantenfrequenzkonversion, da ihre Schmalbandigkeit und Wellenlängenstabilität Fluktuationen der Pumpwellenlänge und folglich Veränderungen der Zielwellenlänge der Qubits verhindern. Bei einer Abweichung oberhalb der natürlichen Linienbreite wäre die Ununterscheidbarkeit der Qubits nicht mehr gegeben, wodurch eine Grundvoraussetzung für die nachfolgende quantenmechanische Verarbeitung wegfiele.



  • Mehr Sicherheit für eingebettete Systeme

    Mehr Sicherheit für eingebettete Systeme

    Software und Hardware für vernetzte eingebettete Systeme müssen höchste Anforderungen an Sicherheit, Echtzeitfähigkeit, Energie- und Ressourceneffizienz erfüllen. In dem am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) koordinierten Projekt Xandar erarbeiten acht…

    mehr lesen: Mehr Sicherheit für eingebettete Systeme

  • Schicksalsjahr für die Eurocloud Gaia-X

    Schicksalsjahr für die Eurocloud Gaia-X

    Im Projekt Gaia-X sollen Datenräume entstehen, die europäischen Datenschutz-Standards entsprechen und die unabhängig von den großen Hyperscalern sind. Für Marc Schieder, CIO von Dracoon, entscheidet sich in diesem Jahr, ob…

    mehr lesen: Schicksalsjahr für die Eurocloud Gaia-X

  • 59,2 Millionen coronabedingt ausgefallene Arbeitstage

    59,2 Millionen coronabedingt ausgefallene Arbeitstage

    Wie aus einer Studie des Instituts für Arbeitsmarkt- und Berufsforschung (IAB) hervorgeht, könnten die coronabedingten Arbeitsausfälle der Erwerbstätigen im aktuellen Lockdown bis Mitte Februar auf 59,2Mio. Arbeitstage steigen was 6,2…

    mehr lesen: 59,2 Millionen coronabedingt ausgefallene Arbeitstage

  • Krisenjahr führt zu zweistelligem Produktionsminus

    Krisenjahr führt zu zweistelligem Produktionsminus

    Laut ersten Berechnungen des VDMA lag die Produktion im Maschinen-und Anlagenbau im vergangenen Jahr 12,1 Prozent unter der des Vorjahres.

    mehr lesen: Krisenjahr führt zu zweistelligem Produktionsminus

  • Cyberattacke auf SolarWinds

    Cyberattacke auf SolarWinds

    Nach dem Angriff mit der Malware Sunburst auf Kunden des IT-Anbieters SolarWinds sind auch viele Industrieunternehmen betroffen.

    mehr lesen: Cyberattacke auf SolarWinds

  • Tec Center für 3D-Druck

    Tec Center für 3D-Druck

    HP und verschiedene Partnerunternehmen haben ein Netzwerk ins Leben gerufen, das Industrieunternehmen beim Thema 3D-Druck unterstützen soll.

    mehr lesen: Tec Center für 3D-Druck

  • Joachim Harb in neuer Position bei Infor

    Joachim Harb in neuer Position bei Infor

    Joachim Harb ist neuer Senior Vice President und General Manager Zentraleuropa bei Infor.

    mehr lesen: Joachim Harb in neuer Position bei Infor

  • Kontron erwirbt HC Solutions

    Kontron erwirbt HC Solutions

    Das Softwareunternehmen HC Solutions gehört ab sofort zu Kontron und soll dort in den IoT-Software-Bereich integriert werden.

    mehr lesen: Kontron erwirbt HC Solutions

  • Forschung an der nächsten Mobilfunkgeneration

    Forschung an der nächsten Mobilfunkgeneration

    Zum Jahresbeginn hat die Fraunhofer-Gesellschaft mit ‘6G Sentinel‘ ein Leitprojekt zur Entwicklung von Schlüsseltechnologien für den kommenden Mobilfunkstandard 6G gestartet. Im Mittelpunkt stehen Terahertz-Technologien und Lösungen für flexible Netze.

    mehr lesen: Forschung an der nächsten Mobilfunkgeneration

  • Industrie steigert Ausstoß im Dezember

    Industrie steigert Ausstoß im Dezember

    Insgesamt zeigt sich die Produktion im produzierenden Gewerbe im Dezember unverändert im Vergleich zum Vormonat. Seitens der Industrie hat der Ausstoß jedoch zugelegt.

    mehr lesen: Industrie steigert Ausstoß im Dezember

  • Produktionserwartungen steigen im Januar

    Produktionserwartungen steigen im Januar

    Die Produktionserwartungen der deutschen Industrie haben sich im Januar etwas aufgehellt. In der aktuellen Konjunkturumfrage des Ifo Instituts stiegen sie auf 8,4 Punkte, nach 5,1 im Dezember.

    mehr lesen: Produktionserwartungen steigen im Januar

  • Neue Funktionen zur Baugruppenplanung

    Neue Funktionen zur Baugruppenplanung

    Die industrielle Produktion wird individueller und der Kostendruck steigt. Die Planung von Fertigungsaufträgen ist zentral für den Erfolg des Fertiger. Daher unterstützt Sack EDV-Systeme im neuen Release 2.8 seiner MES-Lösung…

    mehr lesen: Neue Funktionen zur Baugruppenplanung