AIT-Forscher Bernhard Schrenk erhält ERC Proof-of-Concept Grant

Neue photonische Chips ermöglichen kostengünstigen Einsatz der künftigen hochsicheren Quantenverschlüsselung

Bernhard Schrenk, Leiter der Photonik-Forschungsgruppe im Center for Digital Safety & Security am AIT Austrian Institute of Technology, erhält für die Erforschung einer neuen Methode, mit der sich quanten-optische Sender auf Basis von Silizium realisieren lassen, einen der begehrten ERC Proof-of-Concept Grants. Diese neue Methode zur Generierung von Quantenzuständen, die am AIT erstmals erfolgreich demonstriert wurde, ermöglicht den künftigen Roll-Out des derzeit im Aufbau befindlichen europäischen Quantenkommunikationsnetzwerks in kostensensitiven Segmenten. Die Grundlagen dafür hat Schrenk mit Hilfe eines ERC Starting Grant, den er 2018 bekam, erarbeitet. Durch den nunmehrigen ERC Proof-of Concept Grant kann er diese Erkenntnisse nun praktisch umsetzen und testen.  

Die renommierten ERC Grants sind eine besondere Anerkennung für Bernhard Schrenks langjährige Forschung, die zur absoluten Spitze in Europa zählt. Für seine Forschungsstätte, das AIT Austrian Institute of Technology als größte Forschungs- und Technologieorganisation Österreichs, ist dieser europäischer Förderpreis eine besondere Auszeichnung. Schrenk beschäftigt sich am AIT bereits seit 2013 mit der Photonik, unter anderem mit Themen zur optischen Telekommunikation, der drahtlosen Kommunikationstechnologie 6G, mit optischen neuronalen Netzen und Quantentechnologie. 

Die Nutzung von Licht als Informationsträger für elektrische Signale ermöglicht nicht nur eine um den Faktor 10.000 höhere Frequenz der optischen Trägerwelle und somit eine optische Telekommunikation, womit Rekorddatenraten von über 10 Petabit pro Sekunde über eine Glasfaser transportiert werden können. Darüber hinaus erlaubt Licht die Nutzung quanten-optischer Phänomene, wobei vergleichsweise einfache photonische Schaltungen für die Umsetzung von quanten-optischen Systemen herangezogen werden können, wie sie etwa für die Quantenschlüsselverteilung in Quantenkommunikationsnetzwerken benötigt werden. 

„Obwohl bereits erste erfolgreiche Demonstrationen zu Chip-basierten Quantensystemen vorliegen, sind diese dennoch zu komplex und teuer, um Quantentechnologie letztendlich bis in den Haushalt zu bringen“, so Schrenk. Daher verfolgt er in seiner Forschung einen Ansatz, der eine disruptive Komplexitätsreduktion ermöglicht. Um die Potenziale dieses Ansatzes auszuloten, erhielt er nun das ERC Proof-of-Concept Exzellenzstipendium MOSQITO – „Monolithic Silicon Quantum Communication Circuitry“.  

„Das AIT forscht seit vielen Jahren im Bereich Quantenkommunikation und nimmt dabei in Europa eine führende Rolle ein. Das Ziel des AIT ist es, aus exzellenter Grundlagenforschung durch eine Erhöhung des technologischen Reifegrades echte Innovationen zu machen, die den Menschen nützen und den Wirtschaftsstandort Österreich stärken. Mit dieser Auszeichnung durch den ERC an Bernhard Schrenk hat das AIT einen weiteren wichtigen Baustein in der Innovationskette von der Grundlagenforschung über die angewandte Forschung bis hin zur industriellen Entwicklung in der Quantenkommunikation gewonnen, und dazu gratuliere ich sehr herzlich“, betont Andreas Kugi, Scientific Director des AIT.  

„Wir sind stolz, dass wir durch einen weiteren ERC Grant für Bernhard Schrenk, einem der weltweit führenden Experten im Bereich der Photonik, unsere globale Photonik-Technologieentwicklung für die IT und Telekomindustrie als wichtigen Beitrag für den High-Tech Industriestandort Österreich weiter ausbauen können“, freut sich Helmut Leopold, Head of Center for Digital Safety & Security des AIT.  

OPTISCHE CHIPS AUS „HERKÖMMLICHEN“ STERNENSTAUB

Im Gegensatz zur Lichtmodulation oder -detektion erfordert die Generierung von Licht spezielle Verbundhalbleiter mit einer sogenannten „direkten Bandlücke“, welche die effiziente Erzeugung von Licht durch Injektion von Ladungsträgern ermöglichen. Diese Verbundhalbleiter, etwa Indium-Phosphid oder Gallium-Arsenid, benötigen für ihre Herstellung jedoch schwere Elemente unseres Periodensystems. „Da diese schweren Elemente nur durch sehr seltene stellare Ereignisse wie etwa eine Supernova oder die Kollision von Neutronensternen generiert werden, liegen diese selbst nach mehr als 13 Milliarden Jahren auf unserem Planeten nur in sehr begrenzten Ausmaß vor und zählen zu den sogenannten kritischen Rohstoffen.“ Zudem sind diese Element der Gruppen III und V des Periodensystems nicht kompatibel mit den Fertigungszentren der Unterhaltungselektronik, die primär auf Silizium ausgerichtet sind. 

Hier setzt die Arbeit von Schrenk an, die sich der Erforschung und Anwendbarkeit einer Silizium-basierten Lichtquelle widmet. Das Team um Schrenk demonstrierte dies für die Anwendung der Quantenschlüsselverteilung erstmals im Zuge eines Proof-of-Principle Experiments aus seinem ERC Starting Grant, der ihm 2018 verliehen wurde. Obwohl eine solche Photonenquelle nicht mit den herkömmlichen Lichtquellen der Gruppen III und V mithalten kann, ist dies für quanten-optische Anwendungen kein Problem: „Während optische Emitter in Telekom-Systemen Millionen von Photonen bereitstellen müssen, um einen einzelnen Informationszustand zu kodieren, bedarf es bei quanten-optischen Systemen nur weniger Photonen,“ erläutert Schrenk. „Dies kann mit Emittern aus Silizium, welches als leichtes Element des Periodensystems selbst in den kleinsten Sternen erbrütet wird und somit ausgiebig zur Verfügung steht, erreicht werden.“ Durch die Realisierung einer Lichtquelle auf Basis von Silizium kann ein monolithischer Ansatz für quanten-optische integrierte Schaltungen erzielt werden, der mit den Wafer-Fabriken der Elektronikindustrie voll kompatibel ist und zudem die nahtlose Co-Integration von elektronischen Prozessoren erlaubt. Dies stellt eine äußerst kostengünstige Fertigung von Chip-basierten quanten-optischen Systemen, wie sie etwa für die informationstheoretisch sichere Quantenkryptographie benötigt werden, in Aussicht.  
Zur Person Bernhard Schrenk

Mag. (FH) Michael W. Mürling
Marketing and Communications Manager
AIT Austrian Institute of Technology
Center for Digital Safety & Security
T +43 (0)50550-4126
michael.muerling@ait.ac.at I www.ait.ac.at

Mag. Michael H. Hlava
Head of Corporate and Marketing Communications
AIT Austrian Institute of Technology
T +43 (0)50550-4014
michael.h.hlava@ait.ac.at I www.ait.ac.at

OTS-ORIGINALTEXT PRESSEAUSSENDUNG UNTER AUSSCHLIESSLICHER INHALTLICHER VERANTWORTUNG DES AUSSENDERS. www.ots.at
© Copyright APA-OTS Originaltext-Service GmbH und der jeweilige Aussender