Willkommen zu SPANGL4Q:


Ein EU-Projekt, das im siebten Forschungsrahmenprogram (Sektion „Future and Emerging Technologies“) gefördert wird.


Einzelne Photonen sind nach Ansicht von Physikern und Ingenieuren die Quantenteilchen der Wahl, wenn es darum geht die Welt der Informationsverarbeitung und Kommunikations­technologie mittels Quantentechnologien zu revolutionieren. Quantentechnologien nutzen die einzigartigen Eigenschaften einzelner Quantenteilchen, z.B. Superposition – das Teilchen ist gleichzeitig an zwei Orten, um ultra-schnelle Rechner und absolut abhörsichere Datenübertragung zu realisieren.

 

Wissenschaftler haben schon vor einiger Zeit ein Netzwerk aus „Quanten-Repeatern“ als Schlüssel­komponente eines zukünftigen Quantenkommunikations-Systems identifiziert. Diese sind erforderlich, da Quanteninformation im Gegensatz zu klassischer Information nicht einfach kopiert werden kann. Dies garantiert die Abhörsicherheit der Verbindungen, erschwert aber die Überbrückung größerer Distanzen. In einem Quanten-Repeater wird die Information des Photons in einem ortsgebundenen Quantenteilchen gespeichert. Durch die Wechselwirkung mit einem weiteren ankommenden Photon kann die Information zum nächsten Knoten im Netzwerk übertragen werden.

 

Für eine praktikable Umsetzung eines Quanten-Repeaters sollte er mit etablierter  Halbleitertechnologie realisierbar sein: Eine nanoskopische Struktur im Halbleiter, der sogenannte Quantenpunkt, kann einzelne Elektronen lokalisieren und binden, und deren Quanteninformation für die Dauer einer millionstel Sekunde speichern. Diese Speicherzeit ist bereits ausreichend, um die gegenwärtigen Übertragungsstrecken von ca. 100 km auf einige 1000 km zu erweitern.  

 

Der Schlüssel zur einer erfolgreichen Realisierung dieser Technologie liegt in der Zusammenführung des Quantenpunkts als Elektronenspeicher mit einem Bauteil, welches einzelne Photonen einfangen kann: Ein optischer Nanoresonator. Ohne diesen wechselwirkt nur eines von 10000 Photonen mit dem Elektron. Aufgrund der Lokalisierung von Elektron und Photon für ein bestimmtes Zeitfenster im Resonator kann die Effizienz des Informationstransfers deutlich - theoretisch bis nahezu 100% - gesteigert werden.

 

SPANGL4Q wird die Grenzen der Machbarkeit bezüglich dieser Quantenpunkt-Nanoresonatoren ausloten. Wir werden die Speicherzeiten der Quantenspeicher von einem Millionstel einer Sekunde bis hin zu einigen Sekunden ausdehnen. Durch den Transfers der Quanteninformation des Elektrons auf einen isolierten Atomkern im Quantenpunkt kann die Speicherzeit deutlich verlängert und die Länge der Übertragungsstrecken auf etliche 10000 km erweitert werden. Dies ermöglicht den Aufbau eines globalen Quantenkommunikationnetzwerks.

 

Um diese Ziele zu erreichen, müssen die bekannten Gesetze der Lichtausbreitung in kleinsten Strukturen überdacht werden. Das Maßschneidern von optischen Eigenschaften durch den Einsatz von Nanostrukturen ist eine etablierte Technologie bei modernen Bauelementen für die Telekommunikation. Weitgehend unerforscht ist allerdings der Einsatz von photonischen Nanostrukturen zur Manipulation der Polarisation von Licht.

 

Das SPANGL4Q-Team wird hier einen fundamentalen Neuansatz erarbeiten und die Polarisationseigenschaften in nanophotonischen Bauteilen maßschneidern. Ein detailliertes Verständnis des Verhaltens von Licht in einer nanophotonischen Umgebung und die Möglichkeit es gezielt zu manipulieren, sollte von vielfältigem Nutzen sein: Nicht zuletzt in neuartigen Telekommunikationsanwendungen, der Informationsverarbeitung und in medizinischen Anwendungen.