Projektziele
Das QR.X-Konsortium geht die nächsten, entscheidenden Schritte auf dem Weg zur Entwicklung eines betriebsfähigen Quantenrepeaters. Dabei knüpft es an die Erfolge des Vorgängerprojektes Q.Link.X an, in dem bereits mit verschiedenen Demonstratoren grundlegende Funktionalitäten eines Quantenrepeaters gezeigt werden konnten. In seiner Verbundbeschreibung definiert QR.X die Kernpunkte künftiger Forschungsziele als
„[…] die Entwicklung von optimierten Hardware‐ Komponenten für Quantennetzwerk‐Knoten, die Einrichtung von Faserteststrecken und die Demonstration einer elementaren Quantenrepeater‐Strecke.“
Zur Erreichung dieser Ziele sollen z.B. die vorhandenen Quanten‐Hardware‐Komponenten optimiert und zu funktionsfähigen Systemen zusammengeführt werden oder verbesserte Quantenkommunikations‐Protokolle entwickelt werden. Ein zentraler Fokus liegt außerdem auf einer kompakten, mobilen und robusten Bauweise der Systeme für Quantenknoten und der Anbindung an Teststrecken für optische Faserkommunikation zum Test der Funktionalität einer Quantenrepeater‐Verbindung unter realistischen Bedingungen.
Die dafür nötigen Entwicklungsschritte hat QR.X in neun Arbeitspakete unterteilt, die während der Projektlaufzeit erreicht werden sollen:
API Steigerung der Effizienz und Güte einzelner Komponenten
Der zentrale Baustein eines Quantenrepeaters bildet der verwendete Quantenspeicher. In diesem müssen Quantenzustände effizient eingeschrieben und ausgelesen (Schnittstellen-Effizienz), sowie über lange Zeit gespeichert werden können. Zusätzlich muss die Kontrolle des Quantenspeichers bei hohen Wiederholraten möglich sein. Dieses Arbeitspaket widmet sich vor allem der Verbesserung der Schnittstellen-Effizienz und Wiederholraten in den betrachteten Materialplattformen (su.).
APII Steigerung der Speicherzeiten von Quantenspeichern
Da die Verbesserung der Speicherzeit die höchste physikalisch-technische Herausforderung darstellt, gibt es hierfür das dedizierte APII. Nebst der Verbesserung der verwendeten Hardware wie die optimierte Abschirmung von äußeren Einflüssen, soll auch eine Quantenfehlerkorrektur implementiert werden, welche Speicherfehler kompensiert.
APIII Steigerung der Qualität von Quantenbit‐Materialsystemen
Während sich API und APII auf die Verbesserung der peripheren Hardware und Protokolle fokussiert, sollen in diesem Arbeitspaket die für Quantenspeicher verwendeten Materialsysteme selbst optimiert werden. Insbesondere für Quantenspeicher, die in eine Festkörpermatrix eingebettet sind, wie Halbleiterquantenpunkte oder Fehlstellenzentren in Diamant, sind unerwünschte Wechselwirkungen mit dem Wirtsmaterial einer der Hauptursachen für reduzierte Effizienzen und Güten der Quantenspeicher. Daher soll in diesem AP der Entwicklung und Herstellung qualitativ höchstwertiger Materialsystem nachgegangen werden.
APIV Multiplexing
Meist sind die möglichen Wiederholraten durch fundamentale Zeitkonstanten limitiert, welche die Schreib- und Leseprozesse in den Quantenspeichern dominieren. Aber auch die Geschwindigkeit verwendeter Hardware oder Wartezeiten auf klassische Signale lassen sich oft nicht verbessern, können aber die Wiederholraten deutlich reduzieren. Ein möglicher Ausweg bildet die Parallelisierung von Prozessen im Betrieb eines Quantenrepeaters wie z.B. der gleichzeitige Austausch mehrerer Photonen. Erste Schritte zur Demonstration solcher Multiplexing-Architekturen sollen in APIV unternommen werden.
APV Entwicklung modularisierter Komponenten
Die meisten Demonstrationsexperimente wurden bislang im Labormaßstab durchgeführt. Um Quantenrepeater-Hardware auf den Einsatz unter realistischen Bedingungen vorzubereiten, soll in APV vorhandene Hardware miniaturisiert, modularisiert und mobilisiert werden, damit sie sich in vorhandene Netzwerkinfrastruktur an beliebigen Standorten einbinden lässt, insbesondere in die Faserteststrecken, die in APVI eingerichtet werden.
APVI Aufbau von Faserteststrecken
Im Konsortium sollen Faserteststrecken in Berlin, Braunschweig‐Hannover, München und Saarbrücken etabliert, sowie weitere in Stuttgart und Würzburg vorbereitet werden, an denen die in APV entwickelten modularisierten Komponenten zum Einsatz gebracht werden können. Alle Maßnahmen, die nötig sind, um vorhandene oder neue Faserstrecken dafür zu erschließen und zu charakterisieren, sind in APVI zusammen gefasst.
APVII Entwicklung weiterer Protokolle für Quantenrepeater
Nebst der Entwicklung und Optimierung der Hardware will sich QR.X auch der theoretischen Beschreibung von Quantenrepeater-Netzwerken weiter widmen. In APVII sollen dazu vorhandene Modelle um realistische Imperfektionen erweitert werden, um die vielversprechendsten Ansatzpunkte für weitere Verbesserungen zu identifizieren. Außerdem sollen neue Protokolle entwickelt werden, mit denen auch komplexere Multi-Parteien Netzwerke operiert werden können.
APVIII Explorative Konzepte: Photonische Clusterzustände
Als Ausblick auf künftige Quantenrepeater-Konzepte (QR der 3. Generation) sollen photonische Clusterzustände – verschränkte Zustände aus einer Vielzahl von Photonen – untersucht werden. Die effiziente Erzeugung, Manipulation und Messung solcher Zustände steht im Fokus von APVIII.
APIX Kombination zu einer Quantenrepeater‐Strecke
Die Entwicklung modularisierter Hardware, Erschließung von Teststrecken, sowie deren theoriegestützte Optimierung findet in APIX den von QR.X definierten Höhepunkt: Alle Komponenten sollen zu Gesamtsystemen kombiniert werden, die auf den regionalen Fasernetzen getestet werden. Insbesondere soll dabei erreicht werden:
- Demonstration einer Quantenrepeater‐Verbindung (QR‐Zelle, QR‐Segment) auf einer verlegten Faserstrecke außerhalb des Laborrahmens
- Demonstration einer Quantenrepeater‐Strecke durch Kombination elementarer Bausteine, h. von QR‐Zellen und QR‐Segmenten, zu einer Strecke mit mindestens zwei Endknoten und einer Zwischenstation