20 Jan. Ultrakompakte Lichtquelle für die Quantenverschlüsselung
Die größte Herausforderung bei der optischen Quantenkommunikation ist es, ununterscheidbare und zufällig polarisierte Photonen mit einer hohen Rate in einer möglichst kompakten und energieeffizienten Quelle zu erzeugen. 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.
Am Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena wurde nun eine Photonenquelle entwickelt, die auf einem linearen Array aus acht oberflächenemittierenden Halbleiterlasern (vertical cavitiy surface emitting laser, VCSEL) basiert. Einen Prototypen der Photonenquelle präsentiert das Institut auf der diesjährigen SPIE Photonics West in San Francisco. Die Quelle verfügt nach Angaben der Forschenden über eine besonders kompakte Bauweise, hohe spektrale und zeitliche Präzision sowie eine gute Polarisationsqualität. Das System ist speziell für sichere Verbindungen von Satelliten zu einer Bodenstation entwickelt worden.
Schematische Darstellung der achtkanaligen VCSEL-Quelle für polarisationsverschlüsselte Photonen. Bild: Fraunhofer IOF
Besonders sicher: Vier Signal- und vier Täuschungszustände
Die neue Photonenquelle nutzt ein Galliumarsenid-Substrat (GaAs) für acht VCSELs mit 850 nm Wellenlänge und lithographisch strukturierten Polarisatoren, die an der Universität Stuttgart entwickelt wurden. Mit diesen integrierten Komponenten kann die Quelle vier Polarisationszustände (horizontal →/vertikal ↑ /diagonal ↗/antidiagonal ↖) für Signale nach dem BB84-Protokoll (Verschlüsselung über vier Polarisationsrichtungen) aus einer ultrakompakten Box liefern.
Die Temperaturabweichungen der einzelnen VCSEL sind nach Angaben der Forschenden deutlich kleiner als 0,5 K. Dadurch können die Wellenlängenunterschiede der polarisierten Photonenpakete unter 40 pm 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 Täuschungszustände (Decoy States), indem ein Dämpfungsglied von etwa 4 dB verwendet wird. Die Decoy States unterscheiden sich von den regulären Pulsen nur in ihrer Intensität, also darin, wie viele Photonen sie im Durchschnitt enthalten. Der Sender sowie Empfänger weiß aufgrund der Pulsintensität, welche Pulse reguläre Zustände und welche Decoy States sind, ein potenzieller Abhörer aber nicht. Das erhöht die Gesamtsicherheit der Quantenkommunikationsverbindung, da im System sowohl Signal- als auch Täuschungspulse spektral und zeitlich ununterscheidbar erzeugt werden.
Darstellung der VCSEL-Quelle auf der Leiterplatte. Im Rahmen ist die Optik untergebracht, die oben auf dem VCSEL-Chip befestigt ist. Die Glasspitze auf dem Gehäuse ist der Wellenleiterkombinator, aus dem das Polarisationssignal austritt. Bild: Fraunhofer IOF
Kompakt und satellitentauglich
Die integrierte Digital-Analog-Wandlung, entwickelt in Kooperation mit der TU Ilmenau, erlaubt eine Pulsfolgefrequenz von bis zu 5 GHz. Dieses Signal soll von einem zusätzlichen Quantenzufallszahlengenerator stammen. Das optische System der Quelle ist in einer Kovar-Box mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten untergebracht.
Die Quelle wird auf einer Keramikleiterplatte mit einem Molybdän-Kühlkörper montiert. Die Flügel sind Stecker für Wärmemanagementkomponenten. Bild: TU Ilmenau
Die VCSEL-Quelle für die BB84-basierte Quantenschlüsselverteilung mit Decoy States passt nach Aussage der Entwicklerinnen und Entwickler dank der integrierten Komponenten in ein Volumen von nur 40 × 40 × 43 mm³. Die Signale der acht separaten Kanäle unterscheiden sich spektral weniger als 50 pm und haben Unterschiede in der Zeitverzögerung von weniger als 1 ps. Damit ist die Quelle nach Ansicht der Forschenden ein aussichtsreicher Kandidat für eine Weltraummission auf einem Mikrosatelliten (Cubesat). Alle Technologien wurden so ausgewählt, dass sie für eine künftige Qualifikation im Weltraum bereit sind.
SPIE Photonics West 2025
Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF
Stand: 0205
Quelle und Bild: www.iof.fraunhofer.de
