Verschränkte Quanten und perfekte Kristalle

Zwei Adlershofer Forscher werden vom Europäischen Forschungsrat mit jeweils 1,5 Millionen Euro gefördert

Es ist ein Staffellauf aus Lichtteilchen, den Tim Schröder und sein Team veranstalten. Am Ende wird eine Nachricht aus Quantenzuständen übermittelt, die nur der Absender kennt, die nur der Empfänger lesen kann, die von keinem noch so schlauen Hacker zu entschlüsseln ist. Doch die Photonen, die Lichtteilchen also, die die Informationen übermitteln, müssen zwischendurch immer wieder aufgefrischt werden.

Das leisten sogenannte Quantenrepeater, die in die Glasfaserkabel eingebaut werden. „Sonst gehen die Informationen nach etwa 100 Kilometern verloren“, sagt Schröder, der an der Humboldt-Universität zu Berlin (HU) forscht und eine Arbeitsgruppe am Adlershofer Ferdinand-Braun-Institut (FBH) leitet. Für das Projekt QUREP (Quantum Repeater Architectures Basedon Quantum Memories and Photonic Encoding) hat der Physiker, der nach der Promotion an der HU unter anderem am MIT geforscht hat, jetzt einen ERC Starting Grant für Nachwuchswissenschaftler erhalten. Mit 1,5 Millionen Euro für fünf Jahre fördert der Europäische Forschungsrat (ERC) den Beitrag zur Entwicklung des Quanteninternets.

Dessen Grundlage sind Quantenbits, die nicht nur null oder eins annehmen, sondern viele Überlagerungszustände von null und eins. Ein Quantenbit kann mithilfe eines Photons realisiert und mehrere Photonen miteinander verschränkt werden. So stehen sie in Verbindung, auch wenn sie weit voneinander entfernt sind. Da unberufenes Einloggen sofort bemerkt wird, lassen sich mit Quantenbits perfekte Kryptographie-Systeme bauen.

Damit das Quanteninternet auch weltweit funktioniert, müssen Reichweite und Anzahl der Photonen drastisch erhöht werden. Daran arbeitet das Team an HU und FBH. „Wir entwickeln eine neue Art von Quantenrepeater“, sagt Schröder. Dabei werden neuartige Quantenspeicher in Diamant mit Indium-Gallium-Arsenid-Quantenemittern komplementär kombiniert und in die Glasfaserkabel integriert. Die erzeugten Photonen können somit die Quanteninformationen auch über tausende von Kilometern mit hoher Rate übertragen – ähnlich dem Staffellauf von Lichtteilchen.

Die Bausteine der Mikroelektronik können nur optimal funktionieren, wenn sie eine perfekte Kristallstruktur besitzen. Mit letzterer kennen sich die Experten des Leibniz-Instituts für Kristallzüchtung (IKZ) in Adlershof bestens aus. Einer von ihnen ist Kaspars Dadzis. Er hat jetzt als erster IKZ-Nachwuchsforscher einen ERC Starting Grant erhalten, und zwar für das Projekt „Next Generation Multiphysical Models for Crystal Growth Processes“ (NEMOCRYS). Der Physiker, der an der Uni Lettland in Riga studiert und an der Technischen Universität Bergakademie Freiberg promoviert hat, arbeitet daran, den Wachstumsprozess etwa von Siliziumkristallen mit numerischer Simulation zu optimieren.

„Ein grundsätzliches Problem ist, dass sich Parameter wie die Temperaturverteilung in der Schmelze oder ihr Strömungsmuster während des Züchtungsprozesses nur schlecht oder gar nicht messen lassen“, sagt Dadzis, der auch in der Industrie Erfahrungen sammeln konnte. Die großen, vakuumdichten Anlagen würden bei Temperaturen über 1.400 Grad betrieben und seien meistens schwer zugänglich. Wie sich die Änderung von Parametern wie Druck oder Temperatur auswirkt, lässt sich daher nur abschätzen, der Züchtungsprozess demzufolge nur grob simulieren und überwiegend empirisch bzw. nicht wissenschaftlich fundiert optimieren. „Die Schmelze von Silizium verhält sich oft wie die von Metallen“, sagt Dadzis, der die IKZ-Arbeitsgruppe „Modellexperimente“ leitet. So biete die Verwendung von Materialien mit niedrigem Schmelzpunkt die Chance, zuverlässige experimentelle Daten für die Validierung einer numerischen Simulation zu gewinnen. Gallium, das bei 30 Grad, oder Zinn, das bei 230 Grad schmilzt, können als Modellsubstanzen dienen, mit denen sich bequem arbeiten lässt. „Die Physik ist in vielerlei Hinsicht ähnlich wie beim Silizium“, erklärt Dadzis.

Im Rahmen seines Projekts möchte Dadzis ein umfassendes Modellexperiment für Kristallzüchtung aufbauen. Mit Wärmetransport, thermischer Spannung, Elektromagnetismus, Schmelz- und Gasströmung hat er fünf Variablen ausgewählt, die in der von ihm entworfenen Anlage gleichzeitig mit Sensoren gemessen werden und es ermöglichen sollen, „die ganze Physik des Kristallwachstums zu erfassen“. Damit sollen auch besonders schwierige Fragen wie etwa die Verspannung des Kristalls beim Wachstum zu erfassen sein. Denn dies kann einen Kristall zum Platzen bringen. Numerische Simulation nach Dadzis‘ Methode könnte das künftig verhindern.

Von Paul Janositz für Adlershof Journal