QuPAD

Ultraschnelle Quantenschlüssel-Verteilung durch Parallelisierung der Detektionskanäle

Abhörsichere Quanten-Verschlüsselungsverfahren für die Kommunikation

Vor etwa 100 Jahren hat die Entwicklung der Quantenmechanik die Grundlagen für eine Reihe von revolutionären Techniken, wie z. B. die Halbleitertechnik, den Laser oder die Atomuhr gelegt. Heute erleben wir eine zweite Welle der Nutzbarmachung der Quantentechnologien, deren Kernstück die gezielte Manipulation, Übertragung und das Auslesen des Quantenzustandes einzelner oder gekoppelter Quantensysteme ist. Ein Beispiel für eine bereits relativ weit fortgeschrittene Anwendung ist die Quantenkommunikation und insbesondere die Quantenschlüssel-Verteilung (Quantum Key Distribution – QKD). Heutige Verschlüsselungsverfahren könnten durch Quantencomputer angreifbar werden. Zugleich bieten die Quantentechnologien die Lösung für dieses Problem: der Einsatz quantenkryptografischer Verfahren in der Kommunikation. Entsprechende Verfahren und Protokolle sind bekannt, leiden aber unter Reichweiten- und insbesondere Geschwindigkeitsproblemen in der Erzeugung von Verschlüsselungen, was ihren alltäglichen Einsatz heute noch unpraktikabel macht.

Hohe Verschlüsselungsraten durch Parallelisierung der Detektionskanäle

In diesem Projekt sollen Komponenten entwickelt werden, mit denen sich Schlüssel in einem geeigneten QKD-Pro-tokoll um Größenordnungen schneller als bisher erzeugen lassen. Dazu sollen Pho-tonen, die in den meisten QKD-Protokol-len die Quanten-Information tragen, mit höchster zeitlicher Präzision erfasst wer-den. Im Rahmen des Verbundvorhabens soll als erste Schlüsselkomponente ein Photonen-Detektor auf der Basis von supraleitenden Nanodrähten entstehen. Dieser soll eine so hohe Empfindlichkeit auf Photonen, dass sogar einzelne von ihnen detektiert werden können. Außer-dem soll er Licht-Wellenlängen im Nah-Infrarot detektieren können, was ihn kom-patibel zu bestehender Telekommunikations-Technik machen soll. Die zweite

Schlüsselkomponente stellt eine neuartige, schnelle Messelektronik für den Detektor dar, welche die Ankunftszeiten der detektierten, einzelnen Photonen auf den Billionsten Teil einer Sekunde genau bestimmen kann. Der zentrale Innovationsansatz besteht dabei darin, nicht nur den einzelnen Detektor in Bezug auf Detektionseffizienz, Geschwindigkeit und Zeitauflösung zu optimieren, sondern gleichzei-tig den Detektor und die damit verbundene Messelektronik zu parallelisieren und für hohen Datendurchsatz auszulegen. Dafür wird er viele höchst sensitive Detektionskanäle aufweisen, die voneinander unabhängig sind und parallel arbeiten. Mit diesen können in einem geeigneten QKD-Protokoll um Größenordnungen höhere Verschlüsselungsraten erzielt werden. Mit höheren Raten wäre der Aufbau eines high-speed Netzwerksmöglich, in dem Nachrichten bzw. Daten ohne merkbare Zeitverzögerung sicher ausgetauscht werden können. Die avisierten Schlüsselkomponenten wären darüber hinaus für eine Vielzahl von Anwendungen einsetzbar, wie z. B. bildgebende Verfahren in der Optik und Biologie, Detektion von Fertigungsfehlern in der Prozesstechnik, „Deep Space Communication“, LIDAR, oder der Entwicklung des Quantencomputers.

Ansprechpartner

Dr.Nikolas Knake
+49 211 6214-570

Projektdetails

Koordinator

Dr.Andreas Bülter
PicoQuant GmbH
Rudower Chaussee 29, 12489Berlin
030-1208820-0

Projektvolumen

2,2 Mio. € (Förderquote 81,5%)

Projektdauer

01.11.2018 - 28.02.2021

Projektpartner

PicoQuant GmbHBerlin
Entropy GmbHMünchen
Westfälische Wilhelms-Universität MünsterMünster