Mit dem Ziel, die Vision eines globalen Netzwerks zur praktisch abhörsicheren Quantenkommunikation voranzutreiben, startete im Oktober 2022 das Projekt HyperSpace, koordiniert durch die Gruppe »Quantenkommunikation« des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF. Das von der Europäischen Kommission und dem Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada (NSERC) geförderte Forschungsvorhaben kann im nun vorgelegten Zwischenbericht von zahlreichen Meilensteinen berichten.

Mit diesem schließt das Konsortium die erste Hälfte des Projekts erfolgreich ab. Die veröffentlichten Forschungsergebnisse zeigen unter anderem neue Quellenentwicklungen und Umsetzungsmöglichkeiten der Quantenschlüsselübertragung (engl. Quantum Key Distribution, QKD), welche nun im Feld getestet werden sollen. 

Rekord-Zertifizierung und realistisches Rauschmodell

Die hochdimensionale Verschränkung, die in der Quantenkommunikation zur Verschlüsselung von Daten verwendet wird, ist in verschiedenen Freiheitsgraden umsetzbar. Diese beschreiben Dimensionen, in denen sich die übertragenen Lichtteilchen, Photonen, bewegen und verändern können. In der Quantenphysik berührt das beispielsweise die Dimensionen Zeit und Polarisation. Die Forschenden haben in einem ersten Schritt eine umfassende Analyse der hochdimensionalen Verschränkung in der Zeit-Polarisations-Dimension entwickelt, wodurch zukünftig relevante Sicherheitsparameter für die QKD zertifiziert werden können. Damit präsentieren die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen einen neuen, hoch effizienten und nichtlokalen Zertifizierungsansatz.

Darüber hinaus haben die Forschenden des HyperSpace-Konsortiums einen innovativen Aufbau vorgeschlagen, der die Rauschresistenz der drahtlosen Quantenkommunikation weiter verbessern kann. Mit diesen neuen Erkenntnissen eröffnen sich nun Möglichkeiten für die Anwendung hochdimensionaler Verschränkung in der Quantenkommunikation (1) (2). 

Stabile Quantenschlüsselübertragung über große Distanzen

Um ein interkontinentales Netzwerk zur Quantenkommunikation zu erschaffen, müssen durch die QKD große Distanzen überwunden werden. Eine Herausforderung stellt in diesem Zusammenhang die Phasenstabilisierung dar. Diese dient dazu bei der Übertragung der Quantenschlüssel Schwankungen und Änderungen des Signals zu kontrollieren und minimieren. Bisher wurde die Stabilisierung durch den Austausch von Referenzsignalen erreicht. Über den freien Raum, wie es etwa bei der satellitengestützten QKD der Fall wäre, gestaltet sich dies jedoch besonders schwierig.

Die HyperSpace-Forschenden haben daher einen Ansatz entwickelt, der ganz ohne Phasenstabilisierung auskommt – der Referenzrahmen-unabhängige Zeit-Bin-Quantenschlüsselaustausch. Das Zeit-Bin-Format nutzt eine zusätzliche Dimension zur Speicherung und Übertragung von Quanteninformationen, indem die Informationen in einzelne Zeitfenster oder »Bins« aufgeteilt werden. Diese Methode ist besonders robust gegenüber Störungen und Verzerrungen und daher gut geeignet für die Anwendung auf schnell bewegten Plattformen wie etwa Luft- oder Satellitensystemen (3).

Für die QKD via Satellit müssen die entwickelten Quantenquellen kompakt und leistungsstark sein. Die Forschenden haben daher eine Quelle auf Silizium-Basis entwickelt, die in einer vollständig CMOS-kompatiblen Plattform implementiert ist. Die hohe Energieeffizienz und Kompaktheit eröffnen vielversprechende Einsatzmöglichkeiten in verschiedenen Anwendungen (4). 

Treffen der Partner zur Projekthalbzeit 

Bereits Ende Februar trafen sich Vertreter und Vertreterinnen des HyperSpace-Konsortiums an der Universitá di Pavia in Pavia, Italien, um eine erste Bilanz der vergangenen Projektperiode zu ziehen.

Im Rahmen der Veranstaltung wurden in Vorträgen und Diskussionsrunden die vergangenen Monate eruiert und der derzeitige Stand des Projekts vorgestellt. Die Projektpartner sprachen ebenfalls über die nächsten Forschungsvorhaben, die den zweiten Teil des Projekts flankieren sollen. »Beim persönlichen Treffen entstand eine eigene Dynamik und Energie, das Projekt gemeinsam vorantreiben zu wollen – die Projektpartner teilten Forschungsergebnisse miteinander, tauschten sich in verschiedenen Diskussionsrunden aus und vereinbarten die nächsten Schritte zur Realisierung unserer Vorhaben,« resümiert Projektleiterin am Fraunhofer IOF Dr. Karin Burger. 

Originalpublikationen

(1)    M. Cabrejo-Ponce, A. L. M. Muniz, M. Huber, F. Steinlechner: »High-Dimensional Entanglement for Quantum Communication in the Frequency Domain.« Laser Photonics Rev 2023, 17, 2201010. https://doi.org/10.1002/lpor.202201010

(2)    A. Bergmayr, F. Kanitschar, M. Pivoluska, M. Huber: »How to harness high-dimensional temporal entanglement, using limited interferometry setups.« Quantum Physics, https://doi.org/10.48550/arXiv.2308.04422

(3)    R. Tannous, W. Wu, S.e Vinet, C. Perumangatt, D. Sinar, A. Ling, T. Jennewein: »Towards Fully Passive Time-Bin Quantum Key Distribution over Multi-Mode Channels« Quantum Physics, https://doi.org/10.48550/arXiv.2302.05038

(4)    A. Barone, M. Clementi, T. Poempool, A. Marcia, D.Bajoni, M. Liscidini, D. Gerace, T. Fromherz, M. Galli: »Generation of entangled photon pairs from a silicon bichromatic photonic crystal cavity.« APL Photonics 1 January 2024; 9 (1): 016110. https://doi.org/10.1063/5.0170292