EMphoQ – Erzeugung von Multiphotonenzuständen für die Quantenkommunikation

Quantentechnologien zählen zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts. Der Quantenkommunikation kommt dabei eine zentrale Bedeutung für die Cybersicherheit im Zeitalter der Quantencomputer zu. Die Verteilung quantenmechanischer Verschränkung über große Distanzen ist eine entscheidende Ressource für sichere Kommunikationsnetze und die verteilte Quanteninformationsverarbeitung. Sie ermöglicht den abhörsicheren Informationsaustausch mittels Quantenschlüsseln, die sichere Authentisierung durch Quanten-Token und Anwendungen wie das Blind Quantum Computing. Zur Realisierung solcher Anwendungen werden Konzepte erforscht, die auf Quantenspeichern für Licht oder der Erzeugung verschränkter Mehrphotonen-Zustände, sogenannter photonischer Graphen-Zustände, basieren. Eine Schlüsselkomponente hierfür sind leistungsfähige Licht-Materie-Schnittstellen, die die erforderlichen quantenoptischen Funktionalitäten bereitstellen.

Im Projekt EMphoQ soll eine solche Schnittstelle auf Basis eines resonatorgekoppelten Atoms entwickelt werden. Sie erzeugt kontrolliert verschränkte Multiphotonenzustände mit hoher Effizienz, die direkt in Glasfasern einkoppelbar sind. Dazu wird ein einzelnes Rubidium-Atom stark an das evaneszente Feld eines Faserresonators gekoppelt und durch optimierte Pulssequenzen wiederholt angeregt. Dank der Faserintegration ermöglicht EMphoQ die effiziente Erzeugung komplexer verschränkter Photonen-Zustände.

Mit der Realisierung von EMphoQ wird sichergestellt, dass Cybersicherheits- und IKT-Infrastrukturen von den Möglichkeiten großflächig verfügbarer Quantenkommunikation profitieren. Perspektivisch werden auch weitere Anwendungsfelder wie z.B. die verteilte Quanteninformationsverarbeitung erhebliche Vorteile durch die Möglichkeit zur langreichweitigen Verschränkungsverteilung haben. EMphoQ leistet damit einen wichtigen Beitrag zur Stärkung der technischen Souveränität Deutschlands und den Zielen der Hightech Agenda Deutschland