de.wedoany.com-Bericht: Die Quantum Optics Jena GmbH hat gemeinsam mit AIM Micro Systems, X-FAB, dem Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik (Fraunhofer IOF), der Friedrich-Schiller-Universität Jena und der IMMS das dreijährige Projekt „Photonisch integriertes Polarisationsanalysemodul mit Einzelphotonenverarbeitung (PIC-PAM)“ gestartet. Das Projekt wurde vom Freistaat Thüringen genehmigt und wird von der Europäischen Union kofinanziert. Ziel ist es, die Funktionen der Quantenschlüsselverteilung (QKD) mithilfe der Silizium-Chip-Integrationstechnologie zu miniaturisieren und kostengünstiger zu gestalten, um den Einsatz in Rechenzentren, Campusnetzwerken und kritischen Infrastrukturen zu erleichtern.
Das Projekt bündelt Fachwissen aus den Bereichen Quantenkommunikation, Photonik, Halbleiterfertigung und Mikroelektronik und zielt darauf ab, durch die Kombination von integrierter Photonik und Quantenkommunikation die Netzwerksicherheit der deutschen IKT-Glasfasernetze zu stärken. Die Partner werden kompakte Module entwickeln, die mit gängiger Netzwerkhardware kompatibel sind, und photonische sowie mikroelektronische Funktionen auf einem einzigen Siliziumchip integrieren. Zu den chipintegrierten Komponenten gehören ein Polarisationsanalysemodul zur Messung des Quantenzustands von Photonen, Einzelphotonendetektoren für die hochempfindliche Signalumwandlung sowie Elektronik für die hochauflösende Zeitstempelerfassung und Detektionsauswertung.
Dr. Kevin Füchsel, Geschäftsführer der Quantum Optics Jena GmbH, wies darauf hin, dass Quantencomputer voraussichtlich in den kommenden Jahren traditionelle Verschlüsselungsmethoden knacken werden. Die auf Verschränkung basierende Quantenschlüsselverteilung hingegen sei eine Technologie zur physikalisch abgesicherten Generierung und Verteilung von Verschlüsselungsschlüsseln, deren Sicherheit nicht von der Rechenleistung eines Angreifers abhängt. Informationen werden über den Polarisationszustand einzelner Photonen kodiert; jeder Abhörversuch verändert den Photonenzustand, sodass der Angriff erkannt werden kann. Für die Quantenschlüsselverteilung sind drei Komponenten erforderlich: Polarisationsanalyse, Einzelphotonendetektion und Zeitstempelerfassung.
Prof. Dr. Andreas Tünnermann, Direktor des Fraunhofer IOF und Leiter des Instituts für Angewandte Physik der Friedrich-Schiller-Universität Jena, erklärte, dass die zahlreichen im Labor verwendeten optomechanischen Komponenten zeigten, dass die Miniaturisierung und photonische Integration der Quantenschlüsselverteilung sowohl eine große Herausforderung als auch eine Chance darstelle. Dr. Andreas Fischer, Geschäftsführer der AIM Micro Systems GmbH, ergänzte, dass das Ziel darin bestehe, eine hochintegrierte Lösung zu entwickeln, die sich wie ein kleines SFP-Modul flexibel in Netzwerkgeräte einsetzen lasse.
Im Rahmen des Projekts wird eine vollständige Analyseeinheit als monolithisch integrierter Schaltkreis entwickelt, die photonische und elektronische Funktionseinheiten auf einem einzigen Chip von nur wenigen Millimetern Größe vereint. Dr. Gabriel Kittler, CEO der X-FAB Global Services GmbH, erläuterte, dass sie den CMOS-Prozess speziell für die Quantenschlüsselverteilung weiterentwickeln werden, um photonisch integrierte Chips herzustellen, sodass künftig auf einem einzigen Wafer sowohl photonische als auch elektronische Bauelementschichten verarbeitet werden können. Das Fraunhofer IOF wird die photonischen Komponenten des Chips auf Basis von Siliziumnitrid realisieren, darunter mikrooptische Komponenten, die Polarisationsanalyseeinheit und Koppler. Die IMMS wird die elektronische Schicht des Chips entwickeln, mit Schwerpunkt auf der Integration von Detektoren auf Basis von Einzelphotonen-Lawinenphotodioden (SPAD) und neu entwickelter Zeitmesselektronik. Martin Eberhardt, Geschäftsführer der IMMS, betonte, dass der Weg, die bestehenden SPAD-basierten Lösungen der IMMS mit dem Fraunhofer IOF zu kombinieren und auf Quantenanwendungen der integrierten Photonik zu übertragen, besonders vielversprechend sei. Die Universität Jena wird für die Charakterisierung und Testaufbauten aller photonischen Module verantwortlich sein.
Um sicherzustellen, dass der Chip in Form eines kleinen SFP-ähnlichen Moduls verwendet werden kann, wird AIM Micro Systems die Chipmontage, Gehäuseinstallation und die Verbindung optischer und elektronischer Komponenten übernehmen und dabei die industrielle Anwendbarkeit berücksichtigen. Quantum Optics Jena wird Photonenquellen erstellen, die sicherstellen, dass die Quantenschlüsselverteilung mit für SPAD sichtbaren Photonen durchgeführt werden kann, und einen Gesamtdemonstrator zur Präsentation der Ergebnisse aufbauen.
Anke Siegmeier, Geschäftsführerin des OptoNet e.V., erklärte, dass Thüringen eines der führenden Zentren für Mikroelektronik und Photonik in Deutschland sei. Sechs hochinnovative Mitglieder dieser Organisation arbeiten an der Integration von Photonik und Quantenkommunikation, alle mit Sitz in Thüringen. Sie ist der Ansicht, dass die Zusammenarbeit mit dem regionalen Halbleiterfertigungspartner X-FAB und den lokalen Forschungseinrichtungen Thüringen erhebliche Vorteile bringen werde, darunter den Transfer technologischen Wissens, die Stärkung der Wertschöpfungskette und die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf branchenübergreifende Anwendungen.
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