Beschreibung
Akronym: SiQuro
Typologie: Großprojekt
Vollständiger Titel:
Quantenoptik auf Siliziumchips für Quantencomputer und sichere Kommunikation
Laufzeit: 01/09/2013 bis 31/08/2017
Gesamtkosten: 2.319.456,64 Euro
PAT-Beitrag: 2.319.456,64 Euro
Koordinierende Einrichtung: Universität Trient
Projektleiter: Prof. Lorenzo Pavesi
Andere Teilnehmer:
- Bruno-Kessler-Stiftung
- Nationaler Forschungsrat - Nationales Institut für Optik
- Eidgenössische Technische Hochschule Zürich
Themenbereich OSR: Materialwissenschaft: Anorganische und hybride Mikro-Nano-Technologien
Website: http://events.unitn.it/en/siquro
Projektziele:
Das SIQURO-Projekt hat die sichere Kommunikation und das Quantencomputing zum Gegenstand. In beiden Fällen spielen die Grundlagen der Quantenmechanik eine Schlüsselrolle, die die Eigenschaft hat, dass nur eine direkte Messung (und damit eine Störung) den Zustand des Systems erkennen lässt.
Weder die zeitliche Entwicklung eines Systems noch die Details von Zuständen, die sich aus vielen Teilchen zusammensetzen, können also a priori bekannt sein. Diese beiden Eigenschaften lassen sich nutzen, um einerseits perfekte Zufallszahlengeneratoren und andererseits Computer zu realisieren, die viele Operationen auf kontinuierlichen Variablen parallel und gleichzeitig durchführen und dabei eine Vielzahl von Ergebnissen erzeugen.
Einerseits sind Zufallszahlengeneratoren die Lieferanten von Sicherheitsschlüsseln, mit denen Daten sicher verschlüsselt werden können und die eine sichere Kommunikation ermöglichen. Andererseits braucht die Quantenberechnung eine Plattform, auf der sie realisiert werden kann, in SIQURO ist diese Plattform die siliziumintegrierte Optik. Die Wahl der siliziumintegrierten Quantenphotonik ist durch die Möglichkeit motiviert, den Erfolg der Mikroelektronik in der Photonik zu wiederholen und so schnelle, energiesparende, massenproduzierbare und kostengünstige Quantensysteme zu realisieren. SIQURO schafft die Voraussetzungen für die zweite Quantenrevolution nach dem Transistor und dem Laser.
Auch die Europäische Kommission ist sich der Bedeutung dieses Weges bewusst und hat bereits ein Vorzeigeprojekt zu Quantentechnologien für 2020 genehmigt.
Stand der Technik und Lösungen für die vor dem Projekt bestehenden Probleme/Lösungen und durch das Projekt eingeführte Verbesserungen:
In SIQURO haben wir den Ehrgeiz, erstmals ein komplettes quantenphotonisches System (Quelle, Schaltkreis, Detektor) zu integrieren. In der Literatur gibt es Beispiele für isolierte Komponenten oder makroskopische Systeme, die ähnliche Funktionen realisieren, aber es gibt keine Schaltungen, die alle verschiedenen Komponenten auf einem einzigen Chip integrieren. Physikalische Zufallszahlengeneratoren hingegen gibt es bereits auf dem Markt(www.idquantique.com ) . Die Innovation von SIQURO besteht in der Integration aller Komponenten des Generators auf einem einzigen Siliziumchip, was Wettbewerbsvorteile in Bezug auf Leistung, Kosten, Platzbedarf und Industrialisierung ermöglicht.
Organisation der Arbeit:
Die Arbeitsgruppe besteht aus Forschern, Mitarbeitern und Doktoranden des Labors für Nanowissenschaften und des Labors Cryptolab der Universität Trient, Forschern des Zentrums für Materialien und Mikrosysteme der Bruno-Kessler-Stiftung, Forschern und Mitarbeitern des Nationalen Instituts für Optik des CNR aus den Abteilungen Florenz und Trient und schließlich Forschern und Mitarbeitern der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Zürich. Darüber hinaus sind verschiedene Unternehmen als Unterauftragnehmer beteiligt: III-V lab (Frankreich), Telsy und AdvanSid.
Das Projekt umfasst eine Reihe sich gegenseitig ergänzender Maßnahmen, die von der Entwicklung neuer Theorien im Bereich der Quantenoptik über den Entwurf und die Realisierung integrierter optischer Schaltungen, die Messung und Modellierung beobachteter physikalischer Phänomene bis hin zur Herstellung und Validierung einsatzfähiger Prototypen reichen. Ein gemeinsamer Faktor bei der Herstellung ist die Verwendung mikroelektronischer Siliziumtechnologien.
Derzeit gibt es verschiedene Kooperationen mit internationalen Gruppen, die zur Organisation gemeinsamer Veranstaltungen geführt haben (z. B. TopoDays(http://webmagazine.unitn.it/en/evento/dphys/8846/topodays-2016).
Was die Anwendung anbelangt, so arbeiten wir an der Gründung eines universitären Start-ups, um den Zufallszahlengenerator zu industrialisieren. Zu diesem Zweck haben wir eine Reihe von Kontakten mit zahlreichen Unternehmen, die von Trentino Sviluppo vermittelt wurden. Aus Gründen der Vertraulichkeit dürfen wir die Namen dieser Unternehmen nicht bekannt geben.
Erzielte Ergebnisse:
Im Rahmen des Projekts wurden 2016 14 Publikationen veröffentlicht, 2015 waren es 24 und 2014 7. Zwei Patente wurden angemeldet, davon ein internationales. Wir wurden zur Teilnahme an der italienischen Arbeitsgruppe für das Flaggschiff eingeladen. Im Jahr 2017 organisieren wir in Zusammenarbeit mit dem CNR-Institut für Photonik und Nanotechnologie eine Physikschule über integrierte Quantenphotonik.
Im Einzelnen haben wir eine vollständige Theorie der Quantenlichtströme erarbeitet, wir haben einen sicheren und modellierenden Quantenzufallszahlengenerator demonstriert, wir haben quantenphotonische Schaltkreise hergestellt, die verschränkte Lichtzustände verarbeiten, wir haben zum ersten Mal einen Detektor im mittleren Infrarot bei Raumtemperatur demonstriert, der in der Lage ist, verschränkte Zustandskorrelationen durchzuführen, wir haben optische Mikrokavitäten aus Siliziumnitrid mit Qualitätsfaktoren von über einigen Millionen hergestellt, ....
Auswirkungen:
Eine allgemeine Schwierigkeit bei der Patentierung besteht in der Länge und Komplexität des Verfahrens, das mit der Patentierung verbunden ist. Ein weiterer heikler Aspekt ist die Tatsache, dass im Gegensatz zu europäischen Projekten das Eigentum an den Patenten bei der Provinz liegt, was die Formalisierung von Kooperationen zu den Themen des SIQURO-Projekts und die industrielle Nutzung der Ergebnisse erschwert. Aus diesen Gründen haben wir nur die verschiedenen Architekturen und Methoden, die den Zufallszahlengeneratoren zugrunde liegen, patentiert, da wir ein starkes Interesse an der Gründung eines Start-ups haben. Die anderen Ergebnisse, die ein beträchtliches Anwendungspotenzial haben, wurden bereits veröffentlicht.
Stichworte: Photonik, sichere Kommunikation, Sicherheit, Quantencomputer, Silizium
Pressemitteilung:
https://www.ufficiostampa.provincia.tn.it/content/view/full/42857
Webseiten über den Zufallszahlengenerator
http://webmagazine.unitn.it/ricerca/10292/proteggere-i-dati-di-pagamenti-e-conversazioni