Ultrakompakt fényforrás kvantumtitkosításhoz

A VCSEL lézerdiódák háza integrált hőmérséklet-vezérléssel rendkívül kompakt. © Fraunhofer IOF

Schematische Darstellung der achtkanaligen VCSEL-Quelle für polarisationsverschlüsselte Photonen. © Fraunhofer IOF / Szimmetrikus ábrázolás a nyolccsatornás VCSEL-forrásról a polarizációval titkosított fotonokhoz. © Fraunhofer IOF

A VCSEL-forrás ábrázolása a nyomtatott áramkábla (PCB) felületén KOVAR-keretben. A keretben helyezkedik el a lencse, amely a VCSEL-chip tetején van rögzítve. A ház tetején lévő üvegcsúcs a hullámvezető-kombinátor, ahonnan a polarizációs jel kilép. © Fraunhofer IOF / A kerámia nyomtatott áramkábla (PCB) felületén lévő VCSEL-forrást a KOVAR-keret tartalmazza. A ház tetején található apró üvegcsúcs a hullámvezető-kombinátor, ahonnan a polarizációs jel kilép. © Fraunhofer IOF

A forrás egy kerámia nyomtatott áramkörön (PCB) van rögzítve molibdén hűtőbordával. A PCB a VCSEL-t és az illesztőchipet (középen) hordozza. A szárnyak a hőmenedzsment alkatrészek csatlakozói. © TU Ilmenau

A Fraunhofer Intézet az Alkalmazott Optikáról és Finommechanikáról (IOF) bemutatja a San Francisco-i SPIE Photonics West rendezvényen (2025. január 28-30.) egy új fotonforrást, amelyet kifejezetten a kvantumkommunikáció „Prepare-and-Measure” protokolljához fejlesztettek ki. A forrás komponensei a űrbeli alkalmazásra vannak optimalizálva.

Az 1980-as évek közepe óta létezik az a koncepció, hogy erősen gyengített, véletlenszerűen polarizált fénycsóvákat használjunk biztonságos kvantumkommunikációhoz. A legtöbb kereskedelmi kvantumkommunikációs fényforrás eddig ezen az elképzelésen alapul. A legnagyobb kihívás az, hogy azonosíthatatlan és véletlenszerűen polarizált fotonokat magas sebességgel, lehetőleg kompakt és energiahatékony forrásból állítsunk elő.

A Fraunhofer IOF Jénában kifejlesztett egy olyan fotonforrást, amely egy nyolc, függőlegesen sugárzó félvezető lézert (VCSEL) tartalmazó lineáris tömbön alapul. Különösen kompakt felépítéssel, magas spektrális és időbeli pontossággal, valamint jó polarizációs minőséggel rendelkezik. A rendszer kifejezetten biztonságos kapcsolatokat tesz lehetővé műholdak és földi állomások között.

Azonosíthatatlan fotonok és csaliállapotok

Az új fotonforrás gallium-arzenid (GaAs) alapú substrátot használ nyolc VCSEL számára, 850 nm-es hullámhosszon, litográfiai struktúrájú polarizátorokkal, amelyeket a Stuttgart-i Egyetemen fejlesztettek ki. Ezekkel az integrált komponensekkel a forrás négy polarizációs állapotot (H/V/D/A) képes szolgáltatni a BB84 protokoll szerint, egy ultrakompakt dobozból.

A különböző VCSEL-ek hőmérséklet-eltérései jelentősen kisebbek, mint 0,5 K. Ennek köszönhetően a polarizált fotoncsomagok hullámhossz-különbsége < 40 pm marad. Ideiglenes adatok szerint az on-chip polarizátorok legalább 12 dB extinkciós viszonyt érnek el diagonális irányban, és legalább 20 dB-t vízszintes vagy függőleges irányban.

A nyolc VCSEL csatorna közül négy csaliállapotokat szolgáltat, egy kb. 4 dB-es csillapítóval. Ez növeli a kvantumkommunikációs kapcsolat összes biztonságát, mivel a rendszerben a jel- és zavaró impulzusokat spektrálisan és időben egyaránt összetéveszthetetlen módon állítják elő.

A beépített digitális-analóg átalakító, amelyet az Ilmenaui Egyetemmel együttműködésben fejlesztettek ki, akár 5 GHz-es impulzusfrekvenciát tesz lehetővé. Várhatóan ezt a jelet egy további kvantum véletlenszám-generátor szállítja. A forrás optikai rendszere egy alacsony tágulási együtthatójú KOVÁR dobozban található.

A BB84-alapú kvantumkulcs-elosztó forrása, csaliállapotokkal, az integrált komponenseknek köszönhetően 40 × 40 × 43 mm³-es térfogatra illeszthető. A nyolc külön csatorna jelei spektrálisan kevesebb, mint 50 pm különböznek egymástól, és időbeli késleltetésük

Bemutató a Photonics West 2025-ön

A Fraunhofer IOF csapata egy prototípust mutat be a biztonságos kvantumkommunikációhoz készült fotonforrásból az idei SPIE Photonics West rendezvényen San Francisco-ban (USA), január 28-30. között, a Fraunhofer standján a Német Pavilionban (North Hall 4205).

Erik Beckert, az „Opto-mechatronikus komponensek és rendszerek” osztály vezetője a Fraunhofer IOF-nél, január 26-án 13:50-kor (Room 158, Moscone South) mutatja be a technológiát „Ultrakompakt, VCSEL-alapú fotonforrás a prepare-and-measure QKD-hez” című előadásában.