Damit Informationen in Quantennetzwerken sicher übertragen werden können, sind besondere Lichtquellen nötig. Oldenburger Forschende sind an zwei Projekten beteiligt, die solche Emitter entwickeln. Sie setzen dabei auf extrem dünne Kristalle.
Genau 375 Meter Luftlinie liegen zwischen dem Eugene-Paul-Wigner-Gebäude der Technischen Universität Berlin und dem Telefunken-Hochhaus, die beide zum Campus Charlottenburg der Hochschule gehören. Die Strecke zwischen diesen beiden Gebäuden im Herzen Berlins soll demnächst Teil eines ungewöhnlichen Experiments werden: Ein Team, zu dem auch Physikerinnen und Physiker der Universität Oldenburg gehören, will dort ein abhörsicheres Quantennetzwerk aufbauen – und testen, ob eine Freiluft-Übertragung der verschlüsselten Informationen durch Licht möglich ist.
Ein wichtiger Teil des Netzwerks sollen Lichtquellen sein, die Lichtteilchen – sogenannte Photonen – mit genau definierten Eigenschaften aussenden, und zwar einzeln, Stück für Stück. Das Team will zur Produktion der Photonen anstelle von Lasern erstmals extrem dünne Halbleiterkristalle verwenden. Diese „zweidimensionalen Materialien“ untersucht die Oldenburger Arbeitsgruppe „Quantenmaterialien“ von Prof. Dr. Christian Schneider seit einiger Zeit intensiv.
Informationen verschlüsselt übertragen
Die Forschenden sind gleich an zwei Projekten beteiligt, die innerhalb des europäischen Forschungsprogramms QuantERA gefördert werden. Das Projekt EQUAISE, koordiniert von der Sapienza Universität Rom, zielt darauf ab, entsprechende Bauteile zu entwickeln, die einzelne Lichtteilchen mit höchster Effizienz erzeugen. Das Oldenburger Teilvorhaben erhält vom Bundesforschungsministerium (BMBF) rund 490.000 Euro über drei Jahre und wird von Schneider und Prof. Dr. Caterina Cocchi vom Institut für Physik geleitet. Im zweiten Projekt, tubLAN Q.0, geht es unter Federführung der TU Berlin um Quantenkryptographie, also die verschlüsselte Übertragung von Informationen. Das Oldenburger Teilprojekt wird durch das BMBF mit 350.000 Euro gefördert.
Im Vorhaben EQUAISE („Enabling QUAntum Information by Scalability of Engineered quantum materials“) konzentriert sich das Forschungsteam auf zweidimensionale Halbleiterkristalle, die aus einem Übergangsmetall sowie einem der Elemente Schwefel, Selen oder Tellur bestehen. Die Eigenschaften dieser Stoffe hat Schneiders Arbeitsgruppe bereits in mehreren Publikationen beschrieben. Neben der Technologieentwicklung besteht die Aufgabe der Oldenburger Teams um Schneider und Cocchi darin, die Lichtquellen noch genauer zu charakterisieren und die geplanten Bauteile theoretisch zu modellieren. Das internationale Konsortium will einen Ansatz finden, um Bauteile zur Marktreife zu bringen, die Informationen in Quantennetzwerken auch über große Entfernungen übermitteln können.
Vielversprechende Ergebnisse
Im zweiten Vorhaben, tubLAN Q.0, das im Juli 2022 gestartet ist, sollen die Lichtquellen dann zur Anwendung kommen. „Unsere zweidimensionalen Quantenemitter sind im Prinzip für die freistrahl-optische Übertragung in der Erdatmosphäre prädestiniert, aber ihr Einsatz in Quantennetzwerken wurde bislang noch nicht erforscht“, berichtet Schneider. Inzwischen zeigen erste Ergebnisse des Vorhabens vielversprechende Fortschritte: Ende Januar veröffentlichte Schneiders Team zusammen mit der Berliner Gruppe von Dr. Tobias Heindel eine Studie in der Fachzeitschrift npj 2D Materials & Applications. Darin zeigen die Forschenden, dass Quantenkommunikation mit Einzelphotonenquellen, die aus atomar-dünnen Schichten bestehen, möglich ist – genau wie sie es sich für das entstehende Quantennetzwerk vorgestellt hatten. Das Projektteam sieht gute Chancen dafür, dass sich die Projektergebnisse wirtschaftlich verwerten lassen und will daher nach Projektende gemeinsam eine Ausgründung prüfen.
Im Programm QuantERA haben sich 39 öffentliche Förderorganisationen aus 31 europäischen Ländern zusammengeschlossen, um exzellente Forschung und Innovationen in Quantentechnologien zu fördern. In der jüngsten Förderrunde waren 39 von 128 eingereichten Anträgen erfolgreich. Das Verbundprojekt tubLAN Q.0 ist zudem Teil der Fördermaßnahme „Lokale Netze zur Quantenkommunikation (Q-LAN)“ des BMBF, das auf die anwendungsorientierte Erforschung und Entwicklung von Technologien zum Aufbau lokaler Quantenkommunikationsnetze zielt, sogenannter Q-LANs.
