Um Anwendern aus der Industrie und Wissenschaft Zugriff auf die leistungsfähigen Rechner zu verschaffen, unterschiedliche Quantencomputerplattformen miteinander verbinden zu können oder verschränkte Qubits zur sicheren Verschlüsselung sensibler Daten nutzbar zu machen, treibt ein internationales Team unter Leitung des QuTech im niederländischen Delft die Entwicklung sogenannter Metropolitan-Scale Quantum Networks voran. Ein Team des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnik ILT hat das bei TNO im niederländischen Delft entwickelte System Mitte Januar nach Aachen geholt, um es dort zu erproben, weiterzuentwickeln und erste regionale Verbindungen in Richtung Jülich und Bonn aufzubauen.

Lokal oder regional umsetzbaren Netzwerke gelten als Keimzellen des Quanteninternets der Zukunft. Für Langstreckenverbindungen fehlen Repeater, welche die von Einzelphotonen übertragenen Signale verstärken, ohne die Quantenverschränkung zu lösen. Simples Klonen der Photonen wie im herkömmlichen Übertragungsnetzen scheidet aufgrund der Gesetzmäßigkeiten der Quantenphysik aus. Dennoch konnte das Forschungsteam um Ronald Hanson vom QuTech ­­– hinter dem die TU Delft und die Forschungsgesellschaft TNO stehen – kürzlich einen Durchbruch melden. Es hat zwei Quantencomputer in Delft und Den Haag mit 25 km unterirdischer Glasfaser verbunden und konnte darüber reproduzierbar eine Quantenverschränkung erzeugt.

Eine der zentralen Herausforderungen ist es, die in alle Richtungen und jenseits üblicher Telekomwellenlängen emittierten Photonen effizient und rauscharm in die Glasfaser zu leiten. Hier sind eine spezifisch geformte, direkt in den Diamantchip integrierte Optik und ein nahezu rauschfreier Quantenfrequenzkonverter im Einsatz, den das Fraunhofer ILT entwickelt hat.

Die Stabilität der Verbindung über die 25 km lange Glasfaser muss dabei Genauigkeiten in Größenordnung einer Wellenlänge der Photonen einhalten. Lösbar war all das nur im Zusammenspiel verschiedener Partner. Neben QuTech und dem Fraunhofer ILT waren der niederländische Timing-Hardware-Spezialist OPNT B.V., Element Six als Anbieter von synthetischen Diamanten und Qubit-Chip-Substraten sowie Toptica Photonics als Spezialist für hochstabile Laser an dem Projekt beteiligt.

Die Kooperation hat neben der Verbindung zwischen Den Haag und Delft mittlerweile mit Mitteln aus dem nordrhein-westfälischen Förderprojekt N-QUIK einen weiteren, auf Basis der gesammelten Erfahrungen optimierten Quanteninternetknoten realisiert. Nach und nach sollen Forschungs- und Industriestandorte in der Region, in ganz Nordrhein-Westfalen und mit zunehmender technologischer Reife bundesweit angebunden werden. Dafür gilt es, die durch das No-Cloning-Theorem begründete Repeater-Problematik zu lösen.