Münchner Labor für Quantenkommunikation

• Fachliche Zuordnung: Hardwaresysteme und -architekturen für die Informationstechnik und die Künstliche Intelligenz, Quantentechnische Systeme ; Kommunikationstechnik und -netze, Hochfrequenztechnik und photonische Systeme, Signalverarbeitung und maschinelles Lernen für die Informationstechnik ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 491576645

Im 20. Jahrhundert haben Fortschritte in der Grundlagenforschung an Halbleitern zu der Entwicklung neuartiger Technologie für Kommunikation und Informationsverarbeitung geführt, die die Grundlage unserer modernen Gesellschaft bilden. In ähnlicher Weise werden auch Quantentechnologien unser Leben revolutionieren, indem grundlegende quantenmechanische Effekte gezielt für technologische Anwendungen in den Bereichen Kommunikation, Informationsverarbeitung und Sensorik ausgenutzt werden.Für viele neue Anwendungsszenarien für zukünftige Kommunikationssysteme, wie zum Beispiel beweisbar fundamental sichere Kommunikation und Schutz der Privatsphäre von Kommunikationsteilnehmern, ist der Einsatz von Quantentechnologien unabdingbar. Deshalb wurde in den letzten Jahren im großen Rahmen Grundlagenforschung an einer Vielzahl von quantenmechanischen Effekten und Systemen durchgeführt. Dadurch wurde die Machbarkeit und das Potential von Quantentechnologien aufgezeigt, und es wurden sogar ersten Prototypen von Bauelementen für Kommunikationssysteme entwickelt. Für den Übergang zu ‘echten’ technologischen Anwendungen ist es aber von fundamentaler Bedeutung, nicht nur die Leistungsfähigkeit einzelner Bauelemente zu verbessern, sondern auch ihr Zusammenspiel auf Systemebene in Wechselwirkung mit Informationsübertragungsprotokollen zu erforschen, und Bauelemente und Protokolle für den Einsatz unter Beachtung realer physikalischer Kanalbedingungen zu entwickeln.In diesem Antrag schlagen Münchner Forscher vor ein dediziertes Labor für diese Aufgabe zu realisieren. Dieses Labor wird es zusammen mit der komplementären und führenden Expertise der interdisziplinären Antragsteller ermöglichen die Schlüsselaspekte aller Bereiche der Quantenkommunikation zu erforschen. Diese Bereiche sind: Quantenschlüsselverteilung, verschränkungs-assistierte Kommunikation, Quantentoken und Quantennetzwerke. Bei der Quantenschlüsselverteilung werden sichere Schlüssel verteilt, wobei die Sicherheit durch physikalische Prinzipien gewährleistet ist. Verschränkungsassistierte Kommunikation verwendet Quantenkanäle um Leistungsvorteile in der Übertragung klassischer Nachrichten zu erzeugen. Quantentoken verwenden Quantenmechanik für Authentifikationsprozesse. Quantennetzwerke basieren auf dezentraler Verschränkung und verbinden lokale Quantenprozessoren durch verlustarme optische Kanäle, z.B. für verteiltes Quantenrechnen.Spezifische Aspekte die erforscht werden sollen ist das Zusammenspiel verschiedenen Bauelementen auf Systemebene, Kodierungsmöglichkeiten unter Realbedingungen, effiziente Protokolle für nicht-perfekte Systeme, Quantenkodierung für die Kompensation von Attacken, Beweis der semantischen Sicherheit, memory-enhanced Quantenkommunikation, Verteilung von Verschränkung über lange Glasfasern, Quantenrepeater, Quantenkommunikation basierend auf hochverschränkten Graphzuständen, sowie effiziente Hardware Lösungen durch Integration von Hochfrequenztechnik

• DFG-Verfahren: Großgeräteinitiative
• Großgeräte: Arbitrary function generator ; Frequency comb ; Optical closed-cycle cryostat ; Optical closed-cycle cryostat with vector magnet ; Signal (microwave) generator ; Single photon detection system ; Spectrometer with detectors ; Tunable Laser ; Tunable cavity
• Gerätegruppe: 1800 Spektralphotometer (UV, VIS), Spektrographen (außer Monochromatoren 565) ; 8520 Kryostaten, Tauchkühler (bis -100 Grd C) ; 8550 Spezielle Kryostaten (für tiefste Temperaturen)
• Antragstellende Institution: Technische Universität München (TUM)
• Beteiligte Institution: Max-Planck-Institut für Quantenoptik (MPQ) ; Abteilung Quantendynamik; Ludwig-Maximilians-Universität München; Fakultät für Physik; Experimentelle Quantenphysik
• Leiter: Professor Dr. Kai Müller
• Mitverantwortliche: Professor Dr.-Ing. Holger Boche; Dr. Christian Deppe; Professor Dr. Jonathan J. Finley; Professor Dr. Alexander Högele; Professor Dr.-Ing. Wolfgang Kellerer; Dr. Janis Nötzel; Professor Dr. Andreas Reiserer; Professor Dr. Gerhard Rempe; Professorin Dr.-Ing. Antonia Wachter-Zeh; Professorin Dr. Eva M. Weig; Professor Dr. Harald Weinfurter