Am 21. Januar 2025 hat Dr. Yanan Liu von der University of Newcastle in Australien bedeutende Fortschritte im Bereich der Quantenoptik verkündet. Dr. Liu, die als Humboldt-Fellow bei Prof. Dr. Steven Ding an der Universität Duisburg-Essen (UDE) arbeitet, konzentriert sich auf die Verbesserung quantenoptischer Systeme mithilfe von komprimiertem Licht. Diese Systeme sind von entscheidender Bedeutung in verschiedenen Technologien, darunter medizinische Bildgebung, ultrasensitive Messungen, Quantencomputing und sichere Kommunikation.

Quantenoptik untersucht die Wechselwirkung zwischen Licht und Materie und ist ein vielversprechendes Forschungsfeld. Dr. Liu hat vor allem die Erzeugung von hochqualitativem Laserlicht im Blick, um die Stabilität und Leistung dieser Systeme entscheidend zu steigern. Besonders am Herzen liegen ihr optische parametrische Oszillatoren (OPOs), die häufig zur Erzeugung komprimierten Lichts eingesetzt werden. Diese OPOs sind jedoch Störungen und Fehlern ausgesetzt, die ihre optimale Leistung beeinträchtigen können. Um diesem Problem entgegenzuwirken, plant Dr. Liu die Entwicklung eines fehlertoleranten Frameworks, das den effektiven Betrieb der OPOs trotz dieser Herausforderungen sichert.

Wissenschaftlicher Hintergrund und Netzwerke

Dr. Liu erwarb ihren Doktortitel an der University of New South Wales (UNSW) im Jahr 2021 und forschte anschließend als Postdoktorandin am Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) in Japan sowie als Forscherin am Centre for Quantum Dynamics (CQD) an der Griffith University in Brisbane. Ihr umfangreicher Hintergrund in Regelungstechnik und Quantenphysik bildet die Basis für ihre innovative Forschung.

In den letzten Jahren hat sich die Quantenkommunikation als ein weiteres zentrales Thema innerhalb der Quantenoptik herauskristallisiert. Diese Technologie ermöglicht einen abhörsicheren Austausch von Schlüsseln zur Kodierung sicherheitsrelevanter Informationen. Im Gegensatz zu traditionellen Verfahren basieren die Sicherheitsmechanismen der Quantenkommunikation auf physikalischen Prinzipien wie der Quantenverschränkung und dem Superpositionsprinzip. Das Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering (IOF) arbeitet in diesem Bereich intensiv, insbesondere im Rahmen der QuNET-Initiative.

Quantenkommunikationssysteme und Anwendungen

Die QuNET-Initiative zielt darauf ab, die Grundlagen von Quantenkommunikationssystemen zu entwickeln, um deren Anwendung in Hochsicherheitsnetzwerken zu ermöglichen. Zu den geplanten Forschungs- und Entwicklungsbeiträgen gehören die Entwicklung von Komponenten, Schlüsseltechnologien und Gesamtsystemen für die Quantenkommunikation in Freistrahl- und Fasernetzinfrastrukturen.

In einer ersten Projektphase wird ein Schlüsselexperiment durchgeführt, das die Schnittstelle zwischen Quantenkanälen in unterschiedlichen Wellenlängenbändern und Übertragungsmedien untersucht. Ein Technologie-Demonstrator soll zudem eine sichere Verbindung zwischen zwei Gebäuden über einen optischen Freistrahllink und deren Anbindung an ein Glasfasernetz schaffen. Elemente dieses Demonstrators umfassen unter anderem präzisionsoptische Spiegelteleskope und ein Detektionssystem für Photonpaarkorrelationsmessungen.

Der Einsatz polarisationsverschränkter Photonen ist dabei entscheidend. Diese Photonen werden mit zwei Wellenlängen emittiert: 810 nm für verlustarme Freistrahllinks und 1550 nm für absorptionsarme Glasfaserübertragung. Die Sicherheit dieser Quantenkommunikation beruht dabei auf dem BBM92-Protokoll, das die abhörsichere Kommunikation zwischen Endpunkten garantiert.

Die interdisziplinäre Forschung von Dr. Liu und die Entwicklungen im Bereich der Quantenkommunikation zeigen, wie vielversprechend diese Technologien für die Zukunft sind. Sowohl die Fortschritte in der Quantenoptik als auch die Entwicklungen in der Quantenkommunikation werden dazu beitragen, dass sichere und effiziente Kommunikationsmethoden Realität werden.

Weitere Informationen zur Arbeit von Dr. Liu finden Sie auf den Seiten der University of Duisburg-Essen und zur Quantenkommunikation unter Fraunhofer IOF. Für detailliertere wissenschaftliche Hintergründe können die Studien unter arXiv konsultiert werden.