Glasbasierte Chips in Verbindung mit Quantenphotonik erlauben die Realisierung abhörsicherer Kommunikationswege, wie sie im Bankenwesen, für die öffentliche Sicherheit und den Datenschutz nötig sind.

Glasbasierte Chips in Verbindung mit Quantenphotonik erlauben die Realisierung abhörsicherer Kommunikationswege, wie sie im Bankenwesen, für die öffentliche Sicherheit und den Datenschutz nötig sind. Fraunhofer IZM

Quantentechnologien sind schon über ein halbes Jahrhundert Teil des Alltags. So sind der klassische Laser und die Atomuhr quantentechnologische Geräte der ersten Generation. Nun stehen Forschende vor einer neuen Ära: Sie können die Zustände einzelner Quanten nicht nur auslesen, sondern auch aktiv anregen und sogar manipulieren.

Mit dieser zweiten Quantenrevolution eröffnen sich völlig neue Anwendungen in der Kommunikation, der Simulation, dem Computing und der Sensorik. Allerdings sind dafür derzeit noch recht komplizierte und energiefressende Labor-aufbauten notwendig, um mit den Q-bits zu messen oder zu rechnen.

Industrielle Anwendungen

Um vermarktbare industrielle Anwendungen zu realisieren, setzen die Forschenden auf technische Lösungen aus der Telekommunikation. Dort sind Photonen die Träger der quantenmechanischen Information. Für ihre Übertragung und Manipulation sind bereits Protokolle und Infrastrukturen in Form von speziellen Leiterplatten vorhanden. Eine große Chance für Lösungen in der Quantenkommunikation sehen die Forschenden in der Nutzung von in Glas integrierten optischen Wellenleitern. Der klare Vorteil von Glasfasern gegenüber Halbleitern liegt darin, dass Glas transparent für Nahinfrarot-Wellen ist, welche bei Quantentechnologien zum Einsatz kommen. Außerdem weist Glas als optischer Wellenleiter deutlich weniger Verluste auf, stellt eine geringere Reststreuung des Lichts sicher, ist in der Produktion kostengünstiger und recycelbar.

Quanten-Kryptographie und Quantensensoren

Der Einsatz dieser glasbasierten Chips in Verbindung mit der Quantenphotonik erlaubt es, abhörsichere Kommunikationswege zu realisieren, wie sie im Bankenwesen, für die öffentliche Sicherheit und anspruchsvollen Datenschutz unabdingbar sind. Die Crux der quantenphotonischen Verschlüsselung liegt darin, dass sich der Zustand eines Photons nach dem Auslesen unweigerlich verändert. Somit ist es dem Empfangenden möglich, zu erkennen, ob die Information auf ihrem Weg abgefangen, ausgelesen oder reproduziert wurden. Dieses Abfangen im Kommunikationskanal zu erkennen und somit Datenleaks und Hackerangriffe zu verhindern, ist mit klassischen elektronischen Verschlüsselungsmethoden nicht möglich.

In der Quantensensorik machen sich die Forschenden den Umstand zunutze, dass sich Q-bits wie Wellen überlagern können. Die dabei entstehende quantenmechanische Phase reagiert extrem empfindlich, wodurch sogar einzelne Atome ausgemessen werden können. Auf diese Weise entstehen Sensoren etwa für Gravitations- und Magnetfelder, die im Vergleich zu klassischen Sensoren eine bislang unerreichte Genauigkeit bieten.
Zudem ermöglicht diese Lösung Messungen auf absolutem Niveau, womit das notwendige Kalibrieren von Sensoren entfällt. Damit die sehr präzisen Sensoren nicht von unerwünschten Umwelteinflüssen gestört werden, entwickeln die Forschenden isolierende Vakuumkammern auf Glas, so dass die Quantensensoren auch außerhalb von Laboren Verwendung finden können.