Sechs Thüringer Forschungs- und Industriepartner werden im Projekt die Thüringer Kompetenzen in Optik und Photonik mit denen in der Mikroelektronik und Sensorik enger verzahnen. Ziel ist ein wesentlicher Innovationsschritt in der Verbindung von integrierter Photonik und Quantenkommunikation, um die Cybersicherheit der deutschen IKT-Fasernetze und insbesondere für Rechenzentren sowie Campus-Netzwerke zu erhöhen. Angestrebt werden kleine, für gängige Netzwerk-Hardware geeignete Module zu reduzierten Kosten, die sich einfach an sicherheitsrelevanten Zielorten installieren lassen. Dazu werden auf einem einzigen Siliziumchip photonische und mikroelektronische Funktionen vereint: ein Polarisations-Analysemodul zur Messung der Quantenzustände der Photonen, Einzelphotonendetektoren zur hochempfindlichen Signalwandlung und Elektronik zur hochauflösenden Zeitstempelung und Auswertung der Detektionen. 

Schon heute hat der Schutz sensibler Informationen vor Cyberbedrohungen höchste Priorität und erfordert immer neue und robustere Sicherheitsmaßnahmen, um Vertraulichkeit zu gewährleisten und unbefugten Zugriff zu verhindern. Quantencomputer werden in den nächsten Jahren traditionelle Verschlüsselungsmethoden brechen können und damit die Sicherheit von Informationen gefährden. Die auf Verschränkung basierende Quantenschlüsselverteilung gilt als vielversprechende Technologie, um zukünftige Kommunikationsinfrastrukturen abzusichern. Mit ihr kann man kryptografische Schlüssel mit physikalisch garantierter Sicherheit erzeugen und verteilen und das unabhängig von der Rechenleistung eines Angreifers. Bei der Quantenkommunikation werden keine elektrischen Signale, sondern Photonen, also einzelne Lichtteilchen, übertragen, die in ihren quantenphysikalischen Zuständen verschränkt sind. Informationen werden über die Polarisation eines einzelnen Photons kodiert. Ein Abhören verändert wie jede andere Manipulation den Zustand der Photonen. Damit werden Angriffe messbar und gezielte Schutzmaßnahmen möglich. Für die Quantenschlüsselverteilung braucht es drei Komponenten: die Polarisationsanalyse, um den Zustand eines Photons zu erkennen, Einzelphotonendetektoren, um sicherzustellen, dass die einzelnen Lichtteilchen wirklich gemessen werden, und eine Zeitstempelung, um Sender und Empfänger zu synchronisieren und Rauschen herauszufiltern.

Um all diese theoretischen Vorteile der Quantenschlüsselverteilung für eine breite Anwendung in den IT-Netzwerken der Zukunft praktisch umzusetzen, arbeiten die sechs Projektpartner an einer miniaturisierten Technologieplattform. Laboraufbauten zur Quantenkommunikation besitzen aktuell eine Vielzahl von opto-mechanischen Komponenten. Daher bringt eine Miniaturisierung und photonische Integration der Quantenschlüsselverteilung erhebliche Herausforderungen aber auch Chancen mit sich: Thüringen hat langjährig gewachsene Kompetenzen einerseits in der Optik und Photonik und andererseits in der Mikroelektronik und Sensorik. Ziel ist eine hochintegrierte Lösung, die wie ein kleines SFP-Modul in Netzwerkgeräten leicht und modular eingesetzt werden kann. Dafür werden alle Partner Beiträge für kompaktere, standardisierte und industrietaugliche Komponenten beisteuern. Die Herausforderungen für die Aufbau- und Verbindungstechnik liegen in der photonischen und elektrischen Anbindung an das Gesamtsystem. 

Im Projekt wird eine Gesamtanalyseeinheit als monolithisch integrierter Chip realisiert, der die photonischen und die elektronischen Funktionseinheiten auf einem einzigen Millimeter-kleinen Chip vereint. X-FAB wird seine Technologien speziell für die Quantenschlüsselverteilung weiterentwickeln und die CMOS-Prozesse zur Fertigung photonisch-integrierter Chips weiter anpassen. Damit wird angestrebt, photonische und elektronische Komponenten-Schichten auf einem einzigen Wafer zu prozessieren. Das IMMS und das Fraunhofer IOF werden diese X-FAB-Technologieplattform nutzen, um Teilsysteme für den gemeinsamen Chip zu entwickeln. Das Fraunhofer IOF wird sämtliche Lösungen für die photonischen Siliziumnitrid-basierten Komponenten des Chips realisieren, wie die mikrooptischen Baugruppen, die Verarbeitung des Lichts in der Polarisationsanalyseeinheit samt Strahlteiler sowie die Koppler zur Verbindung von Photonik und Elektronik und zur Faserkopplung vom Chip nach außen. Die Testsetups zur Charakterisierung aller photonischen Baugruppen werden an der FSU Jena realisiert.

Am IMMS werden in der elektronischen Schicht des Chips so viele Funktionen wie möglich integriert, um die vielen Einzelkomponenten von heute zu miniaturisieren. Ein Fokus liegt auf SPAD-basierten Einzelphotonendetektoren, die wie die bisherigen diskreten Sensoren die hochempfindliche Signalwandlung übernehmen, aber direkt im Chip sitzen. Diese hochsensiblen Single-Photon-Avalanche-Photodioden (SPADs) werden erstmals um die in PIC-PAM neu zu entwickelnde Zeitstempel-Elektronik erweitert. Dabei werden die bisherigen SPAD-basierten Lösungen des IMMS gemeinsam mit dem Fraunhofer IOF auf Quantenanwendungen mit integrierter Photonik übertragen.

Damit die neuartigen Chips in einem kleinen, SFP-ähnlichen Modul in Netzwerkgeräten arbeiten können, wird AIM Micro Systems die passgenaue Aufbau- und Verbindungstechnik realisieren: AIM wird die Chips aufbauen, mit Gehäusen versehen und passende Kontaktierungen für Licht und Elektronik mit Blick auf Industrietauglichkeit und Fertigungstechnologien umsetzen. Bei Quantum Optics Jena wird daran gearbeitet, eine Photonenquelle so zu realisieren, dass die Quantenschlüsselverteilung auch mit den für SPADs sichtbaren Photonen gelingt. Zudem wird das Unternehmen auf der Basis der Entwicklungen aller Partner den Gesamtdemonstrator für das Projekt aufbauen, um die Funktionsfähigkeit der Ergebnisse greifbar zu machen.