Fuente de luz ultracompacta para encriptación cuántica

La carcasa de los diodos láser VCSEL con control de temperatura integrado es extremadamente compacta. © Fraunhofer IOF / The housing of VCSEL laser diodes with integrated temperature control is extremely compact. © Fraunhofer IOF

Representación esquemática de la fuente VCSEL de ocho canales para fotones cifrados por polarización. © Fraunhofer IOF / Schematic representation of the eight-channel VCSEL source for polarization encrypted photons. © Fraunhofer IOF

Representación de la fuente VCSEL en la placa de circuito impreso con marco de KOVAR. En el marco se aloja la óptica, que está sujeta en la parte superior del chip VCSEL. La punta de vidrio en la carcasa es el combinador de guías de onda, desde donde sale la señal de polarización. © Fraunhofer IOF / La fuente VCSEL en la placa de circuito impreso cerámica (PCB) se muestra con la carcasa de marco KOVAR. La diminuta punta de vidrio en la parte superior de la carcasa es el combinador de guías de onda, donde la señal de polarización sale. © Fraunhofer IOF

La fuente se monta en una placa de circuito impreso cerámica con un disipador de molibdeno. Las aletas son conectores para componentes de gestión térmica. © TU Ilmenau / Una placa de circuito impreso cerámica (PCB) está unida a un disipador de calor de molibdeno. La PCB lleva el VCSEL y el chip driver (en el centro). Las aletas son enchufes para componentes de gestión térmica. © TU Ilmenau

El Instituto Fraunhofer para la Óptica Aplicada y Mecánica de Precisión IOF presenta en SPIE Photonics West en San Francisco (del 28 al 30 de enero de 2025) una nueva fuente de fotones, desarrollada específicamente para el protocolo «Prepare-and-Measure» en la comunicación cuántica. Los componentes de la fuente están optimizados para su uso en el espacio.

Desde mediados de los años 80, existe el concepto de utilizar pulsos de luz polarizada aleatoria y muy atenuada para una comunicación cuántica segura. La mayoría de las fuentes de luz comerciales para la comunicación cuántica se basan hasta hoy en esta idea. El mayor desafío es generar fotones indistinguibles y polarizados aleatoriamente a una tasa alta en una fuente lo más compacta y eficiente en energía posible.

En el Fraunhofer IOF en Jena, se ha desarrollado una fuente de fotones basada en una matriz lineal de ocho láseres de semiconductor de emisión vertical (VCSELs). Cuenta con un diseño especialmente compacto, alta precisión espectral y temporal, además de una buena calidad de polarización. El sistema está diseñado específicamente para conexiones seguras entre satélites y estaciones terrestres.

Fotones indistinguibles y Estados señuelo

La nueva fuente de fotones utiliza un sustrato de arseniuro de galio (GaAs) para ocho VCSELs a 850 nm, con polarizadores estructurados mediante litografía, desarrollados en la Universidad de Stuttgart. Con estos componentes integrados, la fuente puede proporcionar cuatro estados de polarización (H/V/D/A) para señales según el protocolo BB84 desde una caja ultracompacta.

Las desviaciones de temperatura de los VCSELs individuales son claramente inferiores a 0,5 K. Esto permite mantener las diferencias de longitud de onda de los paquetes de fotones polarizados en menos de 40 pm. Datos preliminares muestran que los polarizadores integrados en el chip alcanzan una relación de extinción de al menos 12 dB en diagonal y al menos 20 dB en dirección horizontal o vertical.

La nueva fuente de fotones utiliza un sustrato de arseniuro de galio (GaAs) para ocho VCSELs con polarizadores estructurados mediante litografía, desarrollados en la Universidad de Stuttgart. Con estos componentes integrados, la fuente puede proporcionar cuatro estados de polarización (H/V/D/A) para señales según el protocolo BB84 desde una caja ultracompacta.

Las desviaciones de temperatura de los VCSELs individuales son claramente inferiores a 0,5 K. Esto permite mantener las diferencias de longitud de onda de los paquetes de fotones polarizados.

Cuatro de los ocho canales VCSEL suministran Estados señuelo mediante un elemento de atenuación (~4 dB). Esto aumenta la seguridad total de la conexión de comunicación cuántica, ya que en el sistema se generan pulsos de señal y de engaño de forma espectral y temporal indistinguible.

La conversión digital-analógica integrada, desarrollada en colaboración con la TU Ilmenau, permite una frecuencia de pulsos de hasta 5 GHz. Se espera que esta señal provenga de un generador adicional de números aleatorios cuánticos. El sistema óptico de la fuente está alojado en una caja KOVAR con coeficiente de expansión térmica bajo.

La fuente de VCSEL para la distribución de claves cuánticas basada en BB84 con Estados señuelo encaja, gracias a sus componentes integrados, en un volumen de 40 × 40 × 43 mm³. Las señales de los ocho canales separados difieren en menos de 50 pm espectralmente y en retraso temporal por

Presentación en Photonics West 2025

El equipo del Fraunhofer IOF presenta un prototipo de la fuente de fotones para la comunicación cuántica segura en la SPIE Photonics West de este año en San Francisco (EE.UU.), del 28 al 30 de enero, en el stand del Fraunhofer en el Pabellón Alemán (North Hall 4205).

Erik Beckert, jefe del departamento de «Componentes y Sistemas Opto-mecatrónicos» en el Fraunhofer IOF, presentará la tecnología el 26 de enero a las 13:50 horas (Sala 158, Moscone South) en su conferencia titulada «Fuente de fotones ultracompacta basada en VCSEL para QKD prepare-and-measure».