Konsortium bringt Quanten-Hardware auf den CMOS-Wafer

Quantenkryptografie Konsortium bringt Quanten-Hardware auf den CMOS-Wafer

02.06.2026 Von Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter 2 min Lesedauer

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Das Verbundprojekt PIC-PAM entwickelt einen hybriden Chip, der Polarisationsanalyse, Einzelphotonendetektoren und Auswerteelektronik vereint. Ziel ist die Industrialisierung der Quantenschlüsselverteilung (QKD) für Rechenzentren.

Integrierte optische Schaltung mit Glasfaseranschlüssen (oben und unten), entwickelt am Fraunhofer IOF in Jena.(Bild: Fraunhofer IOF) — Integrierte optische Schaltung mit Glasfaseranschlüssen (oben und unten), entwickelt am Fraunhofer IOF in Jena.
(Bild: Fraunhofer IOF)

Die Quantenschlüsselverteilung (Quantum Key Distribution (QKD)) gilt als physikalisch sichere Antwort auf die Bedrohung durch künftige Quantencomputer. Doch bisherige Systeme sind oft sperrige Laboraufbauten. Ein Konsortium aus Forschung und Industrie in Thüringen, zu dem unter anderem die Unternehmen X-FAB, Fraunhofer IOF und Quantum Optics Jena gehören, arbeitet im Projekt PIC-PAM nun an der entscheidenden Miniaturisierung: Die gesamte Funktionalität soll auf einem nur wenige Millimeter großen photonisch-integrierten Chip (PIC) Platz finden.

Vom Laboraufbau zum CMOS-Wafer

Vertreter der Projektpartner Quantum Optics Jena GmbH, AIM Micro Systems GmbH, X-FAB Global Services GmbH, Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, Friedrich-Schiller-Universität Jena (Institut für Angewandte Physik) und IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH (IMMS GmbH) des Projekts PIC-PAM beim ersten Arbeitstreffen in Erfurt.(Bild: IMMS) — Vertreter der Projektpartner Quantum Optics Jena GmbH, AIM Micro Systems GmbH, X-FAB Global Services GmbH, Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, Friedrich-Schiller-Universität Jena (Institut für Angewandte Physik) und IMMS Institut für Mikroelektronik- und Mechatronik-Systeme gemeinnützige GmbH (IMMS GmbH) des Projekts PIC-PAM beim ersten Arbeitstreffen in Erfurt.
(Bild: IMMS)

Das Kernproblem der bisherigen QKD-Hardware ist die Vielzahl diskreter opto-mechanischer Komponenten. Das Projekt PIC-PAM verfolgt einen monolithischen Ansatz auf Basis der Silizium-Photonik. Dabei werden optische Funktionen (Polarisationsanalyse mittels Strahlteiler) und mikroelektronische Komponenten (Auswerte-ASICs) enger verzahnt als je zuvor.

„Wir passen unsere CMOS-Prozesse so an, dass künftig photonische und elektronische Schichten auf einem einzigen Wafer prozessiert werden können“, erklärt Dr. Gabriel Kittler, CEO X-FAB Global Services. Dies ermöglicht die kostengünstige Skalierung der Technologie für den Massenmarkt der Informations- und Kommunikationstechnik (IKT).

Technische Details der Integration

Der neue Chip vereint drei kritische Subsysteme:

Polarisationsanalyse: Das Fraunhofer IOF realisiert hierfür Siliziumnitrid-basierte (SiN) Komponenten, die die Quantenzustände der Photonen (Polarisation) auf engstem Raum messen.

Detektion: Das IMMS integriert hochsensible Einzelphotonen-Avalanche-Photodioden (SPADs) direkt in die CMOS-Schicht.

Zeitstempelung: Eine neu entwickelte Time-Tagging-Elektronik (TDC-Strukturen) sorgt für die hochauflösende zeitliche Synchronisation von Sender und Empfänger, um das Signalrauschen zu minimieren.

Plug-and-play für IT-Netzwerke

Damit die Technik für Netzwerkadministratoren handhabbar wird, ist das Zielformat ein Standard-SFP-Modul (Small Form-factor Pluggable). AIM Micro Systems übernimmt hierbei das anspruchsvolle Packaging – die elektrische und optische Anbindung (Fiber-to-Chip-Coupling) in einem industrietauglichen Gehäuse.

„Wir arbeiten auf eine Lösung hin, die sich wie ein gewöhnliches Transceiver-Modul in bestehende Switch-Strukturen integrieren lässt“, sagt Dr. Andreas Fischer, Geschäftsführer von AIM Micro Systems.

Durch die drastische Reduktion von Baugröße und Kosten zielt PIC-PAM primär auf die Absicherung von Glasfasernetzen in Rechenzentren und Campus-Netzwerken ab. Quantum Optics Jena entwickelt hierfür den Gesamtdemonstrator, der die Verschränkungs-basierte QKD unter realen Bedingungen validiert. (heh)

Gruppenbild der Teilnehmenden am Kick-off-Meeting des Projekts snaQCs2025 am 14. Januar 2026 in Köln. V. l. n. r.: Florentin Reiter (Fraunhofer IAF), Carsten Zwilling (point8), Sascha Heußen (neQxt), Florian Kruse (point8), Roman Bansen (neQxt), Nikolas Knake (VDI TZ), Jesko Merkel (point8), Tobias Nauck (Fraunhofer IAF), Edoardo Carnio und Lina Vandré (beide neQxt). (Bild: © Markus Speie)

Platzierung eines Chips auf einer Testplatine am Lehrstuhl Sicherheit in der Informationstechnik der TU München. (Bild: Astrid Eckert / TUM)

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Stand: 08.12.2025

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