Eine ultrakompakte Lichtquelle für die Quantenverschlüsselung
Photonenquelle basiert auf einem linearen Array aus acht emittierenden Halbleiterlasern.
Seit Mitte der 1980er Jahre gibt es das Konzept, stark abgeschwächte zufällig polarisierte Lichtpulse für eine sichere Quantenkommunikation zu nutzen. Die meisten kommerziellen Lichtquellen für Quantenkommunikation basieren bis heute auf dieser Idee. Die größte Herausforderung ist dabei, ununterscheidbare und zufällig polarisierte Photonen mit einer hohen Rate in einer möglichst kompakten und energieeffizienten Quelle zu erzeugen. Am Fraunhofer-Institut für angewandte Optik und Feinmechanik wurde jetzt eine Photonenquelle entwickelt, die auf einem linearen Array aus acht emittierenden Halbleiterlasern – kurz VCSELs – basiert. Sie verfügt über eine besonders kompakte Bauweise, hohe spektrale und zeitliche Präzision sowie eine gute Polarisationsqualität. Das System ist speziell für sichere Verbindungen von Satelliten zur Bodenstation entwickelt.
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Globale Quantenverschlüsselung
Die neue Photonenquelle nutzt ein Galliumarsenid-Substrat für acht VCSEL bei 850 Nanometern mit lithographisch strukturierten Polarisatoren, die an der Uni Stuttgart entwickelt wurden. Mit diesen integrierten Komponenten kann die Quelle vier Polarisationszustände für Signale nach dem BB84-Protokoll aus einer ultrakompakten Box liefern.
Die Temperaturabweichungen der einzelnen VCSEL sind deutlich kleiner als 0,5 Kelvin. Dadurch können die Wellenlängenunterschiede der polarisierten Photonenpakete kleiner als vierzig Pikometer gehalten werden. Vorläufige Daten zeigen, dass die On-Chip-Polarisatoren ein Extinktionsverhältnis von mindestens 12 dB in diagonaler und mindestens 20 dB in horizontaler oder vertikaler Richtung erreichen.
Vier der acht VCSEL-Kanäle liefern Decoy States, indem ein Dämpfungsglied verwendet wird. Das erhöht die Gesamtsicherheit der Quantenkommunikationsverbindung, da im System sowohl Signal- als auch Täuschungspulse spektral und zeitlich ununterscheidbar erzeugt werden.
Die integrierte Digital-Analog-Wandlung, entwickelt in Kooperation mit der TU Ilmenau, erlaubt eine Pulsfolgefrequenz von bis zu fünf Gigahertz. Es wird erwartet, dass dieses Signal von einem zusätzlichen Quantenzufallszahlengenerator stammt. Das optische System der Quelle ist in einer KOVAR-Box mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten untergebracht.
Die Signale der acht separaten Kanäle unterscheiden sich spektral weniger als fünfzig Pikometer und haben Unterschiede in der Zeitverzögerung von weniger als einer Pikosekunde. Damit ist die Quelle ein aussichtsreicher Kandidat für eine Weltraummission auf einem Mikrosatelliten. Alle Technologien wurden so ausgewählt, dass sie für eine künftige Qualifikation im Weltraum bereit sind.
Fh.-IOF / RK
