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Neue photonische Chips ermöglichen kostengünstigen Einsatz der künftigen hochsicheren Quantenverschlüsselung
Bernhard Schrenk, Leiter der Photonik-Forschungsgruppe im Center for Digital Safety & Security am AIT Austrian Institute of Technology, erhält für die Erforschung einer neuen Methode, mit der sich quanten-optische Sender auf Basis von Silizium realisieren lassen, einen der begehrten ERC Proof-of-Concept Grants. Diese neue Methode zur Generierung von Quantenzuständen, die am AIT erstmals erfolgreich demonstriert wurde, ermöglicht den künftigen Roll-Out des derzeit im Aufbau befindlichen europäischen Quantenkommunikationsnetzwerks in kostensensitiven Segmenten. Die Grundlagen dafür hat Schrenk mit Hilfe eines ERC Starting Grant, den er 2018 bekam, erarbeitet. Durch den nunmehrigen ERC Proof-of Concept Grant kann er diese Erkenntnisse nun praktisch umsetzen und testen.
Die renommierten ERC Grants sind eine besondere Anerkennung für Bernhard Schrenks langjährige Forschung, die zur absoluten Spitze in Europa zählt. Für seine Forschungsstätte, das AIT Austrian Institute of Technology als größte Forschungs- und Technologieorganisation Österreichs, ist dieser europäischer Förderpreis eine besondere Auszeichnung. Schrenk beschäftigt sich am AIT bereits seit 2013 mit der Photonik, unter anderem mit Themen zur optischen Telekommunikation, der drahtlosen Kommunikationstechnologie 6G, mit optischen neuronalen Netzen und Quantentechnologie.
Die Nutzung von Licht als Informationsträger für elektrische Signale ermöglicht nicht nur eine um den Faktor 10.000 höhere Frequenz der optischen Trägerwelle und somit eine optische Telekommunikation, womit Rekorddatenraten von über 10 Petabit pro Sekunde über eine Glasfaser transportiert werden können. Darüber hinaus erlaubt Licht die Nutzung quanten-optischer Phänomene, wobei vergleichsweise einfache photonische Schaltungen für die Umsetzung von quanten-optischen Systemen herangezogen werden können, wie sie etwa für die Quantenschlüsselverteilung in Quantenkommunikationsnetzwerken benötigt werden.
„Obwohl bereits erste erfolgreiche Demonstrationen zu Chip-basierten Quantensystemen vorliegen, sind diese dennoch zu komplex und teuer, um Quantentechnologie letztendlich bis in den Haushalt zu bringen“, so Schrenk. Daher verfolgt er in seiner Forschung einen Ansatz, der eine disruptive Komplexitätsreduktion ermöglicht. Um die Potenziale dieses Ansatzes auszuloten, erhielt er nun das ERC Proof-of-Concept Exzellenzstipendium MOSQITO – „Monolithic Silicon Quantum Communication Circuitry“.
„Das AIT forscht seit vielen Jahren im Bereich Quantenkommunikation und nimmt dabei in Europa eine führende Rolle ein. Das Ziel des AIT ist es, aus exzellenter Grundlagenforschung durch eine Erhöhung des technologischen Reifegrades echte Innovationen zu machen, die den Menschen nützen und den Wirtschaftsstandort Österreich stärken. Mit dieser Auszeichnung durch den ERC an Bernhard Schrenk hat das AIT einen weiteren wichtigen Baustein in der Innovationskette von der Grundlagenforschung über die angewandte Forschung bis hin zur industriellen Entwicklung in der Quantenkommunikation gewonnen, und dazu gratuliere ich sehr herzlich“, betont Andreas Kugi, Scientific Director des AIT.
„Wir sind stolz, dass wir durch einen weiteren ERC Grant für Bernhard Schrenk, einem der weltweit führenden Experten im Bereich der Photonik, unsere globale Photonik-Technologieentwicklung für die IT und Telekomindustrie als wichtigen Beitrag für den High-Tech Industriestandort Österreich weiter ausbauen können“, freut sich Helmut Leopold, Head of Center for Digital Safety & Security des AIT.
Optische Chips aus „herkömmlichen“ Sternenstaub
Im Gegensatz zur Lichtmodulation oder -detektion erfordert die Generierung von Licht spezielle Verbundhalbleiter mit einer sogenannten „direkten Bandlücke“, welche die effiziente Erzeugung von Licht durch Injektion von Ladungsträgern ermöglichen. Diese Verbundhalbleiter, etwa Indium-Phosphid oder Gallium-Arsenid, benötigen für ihre Herstellung jedoch schwere Elemente unseres Periodensystems. „Da diese schweren Elemente nur durch sehr seltene stellare Ereignisse wie etwa eine Supernova oder die Kollision von Neutronensternen generiert werden, liegen diese selbst nach mehr als 13 Milliarden Jahren auf unserem Planeten nur in sehr begrenzten Ausmaß vor und zählen zu den sogenannten kritischen Rohstoffen.“ Zudem sind diese Element der Gruppen III und V des Periodensystems nicht kompatibel mit den Fertigungszentren der Unterhaltungselektronik, die primär auf Silizium ausgerichtet sind.
Hier setzt die Arbeit von Schrenk an, die sich der Erforschung und Anwendbarkeit einer Silizium-basierten Lichtquelle widmet. Das Team um Schrenk demonstrierte dies für die Anwendung der Quantenschlüsselverteilung erstmals im Zuge eines Proof-of-Principle Experiments aus seinem ERC Starting Grant, der ihm 2018 verliehen wurde. Obwohl eine solche Photonenquelle nicht mit den herkömmlichen Lichtquellen der Gruppen III und V mithalten kann, ist dies für quanten-optische Anwendungen kein Problem: „Während optische Emitter in Telekom-Systemen Millionen von Photonen bereitstellen müssen, um einen einzelnen Informationszustand zu kodieren, bedarf es bei quanten-optischen Systemen nur weniger Photonen,“ erläutert Schrenk. „Dies kann mit Emittern aus Silizium, welches als leichtes Element des Periodensystems selbst in den kleinsten Sternen erbrütet wird und somit ausgiebig zur Verfügung steht, erreicht werden.“ Durch die Realisierung einer Lichtquelle auf Basis von Silizium kann ein monolithischer Ansatz für quanten-optische integrierte Schaltungen erzielt werden, der mit den Wafer-Fabriken der Elektronikindustrie voll kompatibel ist und zudem die nahtlose Co-Integration von elektronischen Prozessoren erlaubt. Dies stellt eine äußerst kostengünstige Fertigung von Chip-basierten quanten-optischen Systemen, wie sie etwa für die informationstheoretisch sichere Quantenkryptographie benötigt werden, in Aussicht.
Zur Person Bernhard Schrenk
Bernhard Schrenk, 42, beschäftigt sich seit zehn Jahren in der Forschungsgruppe Enabling Digital Technologies am Center for Digital Safety & Security am AIT Austrian Institute of Technology mit der Photonik für optische Tele- und Quantenkommunikation, mit opto-elektronischer Signalprozessierung in künstlichen neuronalen Netzen sowie mit Hochfrequenztechnik im Bereich 6G. Schon in seiner Masterarbeit hatte er 2007 in der Gruppe des nunmehrigen Nobelpreisträgers Anton Zeilinger an der Universität Wien an der Realisierung der ersten Netzwerkdemonstration eines Quantenschlüsselverteilsystems basierend auf verschränkten Photonen mitgewirkt.
Vor seiner Karriere am AIT war er Senior Researcher am Department for Electronic and Computer Engineering an der National Technical University of Athens. In seiner beruflichen Laufbahn wurde Schrenk schon mit mehreren Grants und Preisen wie dem Marie Curie CIG Grant, dem Student Innovation Award der Europäischen Technologieplattform Photonics21 und dem ERC Starting Grant ausgezeichnet. Er hält mit Kollegen mehrere Patente. Seine Masterarbeit absolvierte er an der Technischen Universität Wien mit Auszeichnung. Sein Doktorat an der Universitat Politècnica de Catalunya in Barcelona meisterte er Cum Laude auf dem Gebiet der Signaltheorie und optischen Telekommunikation.
Über Quantum Key Distribution
Quantum Key Distribution (QKD, „Quantenschlüsselverteilung“) nutzt die Prinzipien der Quantenmechanik zur Sicherung der Kommunikation. Die Schlüssel zur Dekodierung von Informationen werden mit Hilfe von Photonen oder Quantenlichtteilchen gesendet. Jeder Versuch, diese Quantenschlüssel abzufangen, unterbricht ihren Zustand und warnt die Benutzer vor möglichen Abhörmaßnahmen. Diese Technologie gewährleistet einen grundlegend sicheren Datenaustausch. QKD stellt die Spitze der Cybersicherheit dar.
Im Bereich Quantenkryptographie hat sich das AIT Austrian Institute of Technology einen ausgezeichneten internationalen Ruf als Spezialist für quantengesicherte terrestrische und satellitengestützte Kommunikation, als Koordinator großer europäischer Projekte, wie z.B. des Projekts "OpenQKD", sowie als starker Partner in mehreren hochkompetitiven europäischen "Quantum Flagship"-Projekten wie EuroQCI oder PETRUS erworben. Derzeit konzentriert sich die Arbeit der Quantenforscher:innen vor allem auf die Miniaturisierung der für die Quantenkommunikation benötigten Geräte. Gemeinsam mit europäischen Partnern koordiniert das AIT das EU-geförderte EuroQCI-Projekt QCI-CAT, das den Aufbau eines Quantenkommunikations-netzwerks in Österreich zum Ziel hat.
Über AIT Austrian Institute of Technology
Das AIT Austrian Institute of Technology ist mit aktuell 1.527 Beschäftigten und einer Betriebsleistung von knapp 200 Mio. Euro Österreichs größte Forschungs- und Technologieorganisation. Das AIT fokussiert auf die Forschungsschwerpunkte „Nachhaltige und resiliente Infrastrukturen“, insbesondere in den Bereichen Energie, Transport und Gesundheit, sowie die „Digitale Transformation von Industrie und Gesellschaft“ und arbeitet dabei eng mit Universitäten, der Industrie und öffentlichen Institutionen zusammen.
Criteria of this press release:
Business and commerce, Journalists, Scientists and scholars
Economics / business administration, Electrical engineering, Information technology, Materials sciences, Physics / astronomy
transregional, national
Contests / awards, Transfer of Science or Research
German
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