SC5 / OPTIKEN FÜR QUANTENTECHNOLOGIEN

Die scheinbar exotischen Gesetze der Quantenwelt sind eine der wichtigsten wis-senschaftlichen Errungenschaften des letzten Jahrhunderts. Mit ihnen können wir die Eigenschaften und das Verhalten von Materie auf der Nanoskala verstehen. Fortschritte in Wissenschaft und Technik erlauben es uns zunehmend quantenphysikalische Effekte auf makroskopischer Skala darzustellen, wie die Nobelpreise für Physik 1997 [1], 2001 [2], 2012 [3] und 2016 [4] eindrucksvoll untermauern. Diese Arbeiten läuten die Ära der Quantentechnologie [5] ein, in der technische Anwendungen quantenphysikalische Zustände in unserer Alltagswelt nutzbar machen werden.

Dies gilt insbesondere für Quantencomputer [6, 7] und die Quantenkommunikation, welche die Sicherheitsinfrastruktur der digitalen Netze revolutionär verändern werden. Diese ist mittlerweile zur Grundlage der digitalisierten Gesellschaft und globalen Weltwirtschaft geworden. Sie beruht u.a. darauf, dass klassische Computer große Zahlen nicht effizient in ihre Primfak-toren zerlegen können.

Quantencomputer werden – neben vielen anderen Anwendungen – dieses Problem effizient lösen können, die herkömmliche Sicherheitsarchitektur wirkungslos machen [8] und daher grundlegend revolutionieren. Gleichzeitig ermöglicht es die Quantenkommunikation Nachrichten so zu sichern, dass jeder Versuch des Abhörens unmöglich wird. Bereits im April 2004 wurde in Wien der erste Geldtransfer über Quantentechnologie verschlüsselt [9] und 2007 nutzte man bei den Wahlen zum Schweizer Nationalrat Quantenkryptografie um die Netzwerke zu sichern [10].

Herzstück der Netzsicherheit sind Systeme zum Austausch digitaler Schlüssel. Die Verteilung von Schlüsseln mittels Quantentechnologie ist intrinsisch sicher gegen Datendiebstahl. Quantensichere klassische Verschlüsselungsalgorithmen nutzen diese Schlüssel, um die eigentlichen Daten sicher zu transportieren. Quantenoptische Systeme sind hierfür der erfolgversprechendste Ansatz. In einer späteren Ausbaustufe könnten auch sämtliche Informationen quantenoptisch übertragen werden; eine klassische Verschlüsselung wäre hinfällig.

Die optische Verteilung von Quantenschlüsseln eröffnet eine neue Epoche in der Datensicherheit. Zuerst wird diese Technologie bei Informationen mit kritischer Vertrauensstufe, z.B. im Bankwesen, Geheimdienst, Militär, Politik oder Gesundheit finden. Prognostizierte Kosten in der Größenordnung einiger Cent pro kbit [11] machen die Technologie aber auch attraktiv für eine vollständige Datenübertragung bei höchsten Sicherheitsanforderungen.

Die Anwendungen der Quantenwissenschaft erstrecken sich jedoch weit über die Informationstechnologie hinaus. Basierend auf Quantensensoriksystemen werden völlig neue Wissenschaftsdisziplinen und Anwendungsfelder entstehen, beispielsweise die Gravitationsbildgebung und die daraus folgende Quantennavigation [12]. Weitere potenzielle Applikationen sind Erdbeobachtung, die Messung magnetischer Felder sowie Quanten-Remote-Bildgebung [13].

Die genannten Szenarien zeigen, dass durch die zukünftige Entwicklung der Quantentechnologie vielfältige Wissenschaftsfelder entstehen werden, bei denen Wissenschaftler auf optische Basistechnologien und Komponenten angewiesen sind. Der Fraunhofer Techreport »Quantentechnologien« spezifiziert dazu Mikro- und Nanofertigungsverfahren sowie Hochleistungs- und hoch-kohärente Laser [14]. Dies gilt insbesondere für die Anwendungsfelder sichere Kommunikation und Sensorik: laut Quantum Technology Roadmap Report [12] werden vor allem verbesserte Sensoren für multiple Anwendungen und Sicherheitsbedrohungen als technologische und wirtschaftliche Treiber prognostiziert. Für die Erforschung und langfristige Manifestation bildet die Infrastruktur des NPL eine solide Basis, welche die Wissenschaft befähigt innovative quantenoptische Systeme umzusetzen. Das NPL greift bereits jetzt auf eine Kooperation mit vier der zehn stärksten europäischen Institute im Bereich Quantentechnolgie [14] zurück und bildet damit eine solide Basis für den Science Case »Optiken für die Quantentechnologie«.

Abb. 1: Das Fraunhofer IOF entwickelt hochintegrierte Hochleistungsphotonenquellen für Weltraumanwendungen.
Abb. 1: Das Fraunhofer IOF entwickelt hochintegrierte Hochleistungsphotonenquellen für Weltraumanwendungen.

SZENARIO: VERTEILUNG VON QUANTENSCHLÜSSELN

Eine technologische Herausforderung der Quantenkommunikation ist die Notwendigkeit einer direkten Verbindung zwischen Sender und Empfänger, da Quantensignale in optischen Fasernetzwerken nicht nachverstärkt werden können [15, 16]. Quantenkommunikation kann daher nur auf dem Umweg über Satelliten erfolgen und bedarf der Realisierung einer entsprechenden [17] Weltrauminfrastruktur.

Die Entwicklung von satellitenbasierter Kommunikation ist noch in einer Frühphase. Aktuell wurde eine Distanz von 143 km zwischen den Kanarischen Inseln La Palma und Teneriffa überbrückt [18]. Die Kommunikation über einen erdnahen Orbit wurde ebenso demonstriert. Dazu wurden am Satellit ein Retroreflektor von 3 cm Durchmesser und als Bodenstation ein Teleskop mit einer Spiegelfläche von 1,7 m² genutzt [19]. Im Umkehrschluss bedeutet das, dass für kompakte Bodenstationen leistungsfähige Quantenemitter, adaptive Optiken und Spiegel von bis zu 1 m Durchmesser im Orbit benötigt werden. Diese Technologiekette ist derzeit nicht verfügbar.

Abb. 2: Das Fraunhofer IOF entwickelt hochintegrierte Freiformoptiken und Leichtgewichtsabbildungssysteme für Weltraumteleskope.
Abb. 2: Das Fraunhofer IOF entwickelt hochintegrierte Freiformoptiken und Leichtgewichtsabbildungssysteme für Weltraumteleskope.

Eine interkontinentale Kommunikation würde darüber hinaus zuverlässige Satellit zu Satellit Verbindungen erfordern, so dass zukünftig weiterer Bedarf an optischer Systemtechnologie besteht.


ENABLER: MULTIFUNKTIONALE INTEGRATION VON QUELLEN UND OPTIKEN

Zur Realisierung einer solchen Infrastruktur als auch zur Umsetzung quantensensorischer Systeme müssen sowohl Satelliten als auch (transportable) Bodenstationen als integrierte Systeme entwickelt werden. Diese benötigen optische Komponenten mit extremen Anforderungen:

  • Rauscharme, monolithisch integrierte Hochleistungslaser sind die Grundlage für Quantenemitter, da robuste Hochleistungsquellen für verschränkte Photonen derzeit kaum existieren. Weitere Entwicklungsarbeiten müssen sich somit auf die Vereinfachung und Integration des optischen Systems konzentrieren (Abb. 1).
  • Große freigeformte Hochleistungsspiegel in Satelliten und/oder Bodenstationen werden benötigt, um die Kommunikation effizient zu gestalten und eine beugungsbegrenzte Strahlqualität über 1000 km Reichweite zu erzielen. Für die Anwendung auf Satelliten spielt der Leichtbau zusätzlich eine tragende Rolle. Die Reduktion der Komponenten mittels Nanostrukturierung ist ein weiterer Entwicklungsschritt (Abb. 2).
  • Mikrostrukturierte, monolithische Spiegel bieten eine ideale, rauscharme Plattform für die hochempfindliche Quantensensorik (Abb. 3).
  • Adaptive Optik [20] ist zum Nachverfolgen der Kommunikationspartner und zur Korrektur von atmosphärischen Störungen notwendig (Abb. 4).

Die Natur der Quantenphotonik zieht hohe Anforderungen an die optischen Komponenten nach sich. So profitieren quantenoptische Systeme von der gesteigerten Leistungsfähigkeit optischer Komponenten in Bezug auf geringeres Streulicht, höhere Reflexion und Wellenfrontgenauigkeit und von der Integration optischer Funktionalitäten durch aktive Korrekturen, Freiformen, Mikro- und Nanostrukturen. Auch für Quellen verschränkter Photonen, wird eine zunehmende Verflechtung optischer Funktionen in Form monolithischer Bauelemente, beispielsweise mit Faserlasern, Freiformelementen oder Multiflächenoptiken angestrebt. Eine derartig breite Klasse von Herausforderung kann nur durch eine breit aufgestellte, ganzheitliche Technologieplattform wie NPL adressiert werden.

Abb. 3: •	Mikrostrukturierte, monolithische Spiegel
Abb. 3: Mikrostrukturierte, monolithische Spiegel

WISS.-TECHNOLOGISCHE UMSETZUNG

Optiken für die Quantenphotonik benötigen Substrate mit höchster Formtreue und geringster Rauheit. Um eine große Anwendungsvielfalt zu ermöglichen, sind insbesondere Freiformen für große geometrische Ausmaße von herausragender Bedeutung. Die Optiken müssen durch Poliertechniken äußerst hochwertig geglättet werden. Eine Funktionalisierung der Oberfläche durch Beschichtung und Nanostrukturierung erweitert das Funktionsspektrum und reduziert die Komponentenzahl.

Abb. 4: Adaptive Optiken sind ein Schlüsselelement für weltraumbasierte Quantenanwendungen. Das IOF entwickelt adaptive Optiken für Hochleistungssysteme.
Abb. 4: Adaptive Optiken sind ein Schlüsselelement für weltraumbasierte Quantenanwendungen. Das IOF entwickelt adaptive Optiken für Hochleistungssysteme.

Zentrale technische Herausforderungen sind deshalb:

  • Freiformerzeugung sowie Politurtechniken auf gekrümmten Oberflächen mit geringer Rauheit und hoher Formgenauigkeit,
  • Verfahren zur hochgenauen Beschichtung (z.B. durch Atomlagenabscheidung) speziell auch von Freiformen und Nanostrukturen,
  • Anwendung optischer Nanostrukturen,
  • hochauflösende Charakterisierungstechnologien (Rasterelektronenmikroskopie, Atomic-Force-Mikroskopie, Streulichtcharakterisierung), auch auf großen Substraten/ Freiformen.

Zur Entwicklung und Etablierung der notwendigen Technologien verfügt der Antragsteller über ausgewiesene Expertise, die u.a. durch die Bearbeitung zahlreicher Projekte für quantenoptische Lösungen im Bereich optischer Schichten, Nanostrukturierung oder auch Oberflächencharakterisierung insbesondere aber auch Quellenentwicklung gegeben ist. Die wesentlichen Anlagen und Technologien für die avisierte Weiterentwicklung der Technologieketten werden in Zusammenarbeit mit Anwendern und Industriepartnern weiterentwickelt.


INVESTITIONSBEDARFE

Aus den oben beschriebenen Anforderungen ergeben sich folgende Entwicklungsbedarfe für die Kerntechnologien:

Entwicklungsbedarfe für die Kerntechnologien

WICHTIGE PROJEKTE DER NPL-PARTNER MIT BEZUG ZUM SCIENCE CASE

  • Entangled Photon Source (EPS) für SpaceEPS bei European Space Agency (ESA) in Zusammenarbeit mit Institut für Quantenoptik und Quanteninformation Vienna (IQOQI).
  • Ultra Stable High Power Photon Sources für PowerQuant bei Max-Planck-Fraunhofer-Kooperationsprojekt in Zusammenarbeit mit Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPI MPQ).

REFERENZEN

[1] C. for Physics of the Royal Swedish Academy of Sciences. Methods to cool and trap atoms with laser light. Additional background material on the Nobel Prize in Physics (1997).

[2] C. for Physics of the Royal Swedish Academy of Sciences. Bose-einstein condensation in alkali gases. Advanced information on the Nobel Prize in Physics (2001).

[3] C. for Physics of the Royal Swedish Academy of Sciences. Measuring and manipulating individual quantum systems. Scientific Background on the Nobel Prize in Physics (2012).

[4] C. for Physics of the Royal Swedish Academy of Sciences. Topological phase transitions and topological phases of matter. Advanced information on the Nobel Prize in Physics (2016).

[5] Quantum manifesto – a new era of technology.

[6] L. K. Grover. Quantum computers can search arbitrarily large databases by a single query. Phys. Rev. Lett., 79:4709 (1997). doi: 10.1103/PhysRevLett.79.4709.

[7] P. W. Shor. Algorithms for quantum computation: discrete logarithms and factoring. In Foundations of Computer Science, 1994 Proceedings., 35th Annual Symposium on, 124–134 (1994). doi: 10.1109/SFCS.1994.365700.

[8] H. Weimer. Moore’s law for quantum computers (2011).

[9] A. Tillemans. Weltweit erste quantenkryptografisch verschlüsselte banküberweisung. Bild der Wissenschaft (2004).

[10] B. Schwan. Photonen als wahlhelfer. Heise Online (2007).

[11] D. Elser, K. Günthner, I. Khan et al. Satellite quantum communication via the alphasat laser communication terminal. arXiv.org (2015).

[12] J. Trueman. Quantum technology roadmap report.

[13] S. Bi. High-resolution imaging via quantum remote sensing. SPIE Newsroom (2016). doi: 10.1117/2.1201602.006298.

[14] K. Seidel. Themen im fokus: Quantentechnologie. Technical report, Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V. (2016).

[15] W. K. Wootters and W. H. Zurek. A single quantum cannot be cloned. Nature, 299:802 (1982).

[16] H.-J. Briegel, W. Dür, J. I. Cirac et al. Quantum repeaters: The role of imperfect local operations in quantum communication. Phys. Rev. Lett., 81:5932 (1998). doi: 10.1103/PhysRevLett.81.5932.

[17] K. S. R. Christian Anton. Quantum technology: From research to application. German National Academy of Sciences Leopoldina (2015).

[18] X.-S. Ma, T. Herbst, T. Scheidl et al. Quantum teleportation over 143 kilometres using active feed-forward. NATURE, 489:269 (2012). doi: 10.1038/nature11472.

[19] G. Vallone, D. Bacco, D. Dequal et al. Experimental satellite quantum communications. Phys. Rev. Lett., 115:040502 (2015). doi: 10.1103/PhysRevLett.115.040502.

[20] J. W. Hardy. Adaptive optics for astronomical telescopes. Oxford University Press on Demand (1998).

Quantentechnologien
Quantentechnologien

ANWENDER

- Grundlagenforschung
- Informationstechnologie

WISSENSCHAFTSFELDER

- Quantenkryptographie
- Quantenkommunikation
- Quantensensorik
- hochbrilliante Strahlquellen

ENABLER

- Leichtbauspiegel
- nanostrukturierte Freiformoptiken
- aktive und adaptive Optiken
- integrierte Strahlquellen

The most important hurdle in getting ultrahigh peak power is improving the diffraction grating optical damage thresh-old.


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