Ein Chip aus Glas gegen die Macht der Quantencomputer
Ein Glaschip könnte Quantenkryptografie praxistauglich machen – mit geringen Verlusten und hoher Stabilität für reale Netze.
Lasergeschriebener Glaschip demonstriert das Potenzial von Glasplattformen für die Quantenkommunikation.
Foto: Marco Avesani, University of Padua
Quantencomputer rücken näher. Mit ihnen wächst ein Problem, das viele heute noch unterschätzen: Ein großer Teil der gängigen Verschlüsselung beruht auf mathematischen Annahmen, die leistungsstarke Quantenrechner aushebeln könnten. RSA, elliptische Kurven, selbst komplexe Schlüssellängen verlieren dann ihren Schutz. Die Suche nach Alternativen läuft seit Jahren. Eine davon gilt als besonders robust: Quantenkryptografie.
Sie setzt nicht auf Rechenaufwand, sondern auf Physik. Abhören verändert den Zustand des Lichts und wird messbar. Doch zwischen Laborversuch und praxistauglichem System klafft eine Lücke. Genau hier setzt eine neue Arbeit aus Italien an.
Inhaltsverzeichnis
Quantenkommunikation braucht robuste Hardware
Forschende der Universität Padua, des Politecnico di Milano und des CNR-Institut für Photonik und Nanotechnologien zeigen, wie sich ein zentraler Baustein der Quantenkommunikation deutlich vereinfachen lässt. Statt auf komplexe Siliziumchips setzen sie auf ein überraschend schlichtes Material: Borosilikatglas.
Die Studie erschien in Advanced Photonics. Im Zentrum steht ein integrierter quantenkohärenter Empfänger, der direkt in ein Glasvolumen geschrieben wird. Möglich macht das ein Femtosekundenlaser, der Wellenleiter dreidimensional ins Material einprägt.
Das Ziel: ein kompakter, stabiler Empfänger für sogenannte kontinuierliche Quantenverfahren. Diese spielen eine zentrale Rolle bei der Quantenschlüsselverteilung (QKD) und bei Quanten-Zufallszahlengeneratoren (QRNG).
Warum Glas und nicht Silizium?
Viele integrierte photonische Schaltungen entstehen heute auf Silizium. Das Material ist etabliert und gut integrierbar. Doch für Quantenkommunikation hat es Schwächen. Silizium reagiert empfindlich auf Polarisation. Zudem sind die optischen Verluste vergleichsweise hoch. Beides erschwert einen stabilen Dauerbetrieb.
Glas verhält sich anders. Es ist polarisationsunempfindlich, mechanisch stabil und chemisch inert. Vor allem aber erlaubt es dreidimensionale Strukturen mit sehr geringen Verlusten. Die lasergeschriebenen Wellenleiter ähneln in ihrer Größe klassischen Glasfasern. Das erleichtert die Kopplung an bestehende Netze.
Ein Heterodyn-Empfänger im Glasblock
Das Team realisierte einen vollständig abstimmbaren Heterodyn-Empfänger. Solche Empfänger überlagern ein schwaches Quantensignal mit einem starken Referenzstrahl. Aus der Interferenz lassen sich Amplitude und Phase bestimmen – die zentralen Größen der kontinuierlichen Quanteninformationsverarbeitung.
Der Glaschip integriert unter anderem feste und variable Strahlteiler, thermooptische Phasenschieber, dreidimensionale Wellenleiterkreuzungen und polarisationsunabhängige Koppler. Die komplette Optik steckt im Volumen des Glases.
Die Messwerte fallen nüchtern, aber klar aus: rund 1 dB Einfügungsverlust, ein Gleichtaktunterdrückungsverhältnis von über 73 dB und ein stabiler Betrieb über mindestens acht Stunden. Das liegt auf Augenhöhe mit Siliziumlösungen, teils darüber.
Zwei Anwendungen, ein Chip
Die geringe Dämpfung und hohe Stabilität erlauben mehr als nur einen Anwendungsfall. Mit demselben Chip demonstrierten die Forschenden zwei zentrale Quantentechnologien.
Zum einen einen quell- und geräteunabhängigen Quanten-Zufallszahlengenerator. Das heißt: Selbst wenn die Lichtquelle nicht vertrauenswürdig ist, bleibt die Zufälligkeit abgesichert. Die erreichte sichere Bitrate lag bei 42,7 Gbit/s. Für dieses Sicherheitsmodell ist das ein Spitzenwert.
Zum anderen nutzte das Team den Empfänger für eine kontinuierliche Quantenschlüsselverteilung mit QPSK-Codierung. Über eine simulierte Glasfaserstrecke von 9,3 km erzielte das System eine geheime Schlüsselrate von 3,2 Mbit/s. Das reicht für reale Kommunikationsszenarien.
Schritt Richtung Einsatz außerhalb des Labors
Der eigentliche Wert der Arbeit liegt weniger in einzelnen Rekorden als im Gesamtkonzept. Glasbasierte integrierte Photonik ist robust, temperaturstabil und vergleichsweise günstig herzustellen. Femtosekunden-Laserschreiben kommt ohne Reinraumfertigung aus und erlaubt schnelle Anpassungen.
Hinzu kommt die hohe Kompatibilität mit bestehender Glasfasertechnik. Das senkt die Hürden für Feldtests. Auch Anwendungen außerhalb klassischer Netze sind denkbar, etwa in mobilen oder weltraumgestützten Systemen.
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