Sorgente luminosa ultracompatta per crittografia quantistica

Il involucro dei diodi laser VCSEL con controllo della temperatura integrato è estremamente compatto. © Fraunhofer IOF

Rappresentazione schematica della sorgente VCSEL a otto canali per fotoni crittografati in polarizzazione. © Fraunhofer IOF / Schematic representation of the eight-channel VCSEL source for polarization encrypted photons. © Fraunhofer IOF

Rappresentazione della sorgente VCSEL sulla scheda di circuito stampato con cornice KOVAR. All'interno della cornice è alloggiata l'ottica, fissata sopra il chip VCSEL. La punta di vetro sulla custodia è il combinatore di guide d'onda, da cui esce il segnale di polarizzazione. © Fraunhofer IOF / La sorgente VCSEL sulla scheda di circuito stampato in ceramica (PCB) è mostrata con la custodia in KOVAR. La piccola punta di vetro sulla parte superiore della custodia è il combinatore di guide d'onda, da cui esce il segnale di polarizzazione. © Fraunhofer IOF

La sorgente è montata su una scheda di circuito stampato in ceramica (PCB) con un dissipatore di calore in molibdeno. La PCB ospita il VCSEL e il chip driver (al centro). Le ali sono connettori per componenti di gestione termica. © TU Ilmenau

Il Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Mechanics IOF presenta alla SPIE Photonics West di San Francisco (28-30 gennaio 2025) una nuova sorgente di fotoni, sviluppata appositamente per il protocollo «Prepare-and-Measure» della comunicazione quantistica. I componenti della sorgente sono ottimizzati per l'uso nello spazio.

Dal metà degli anni '80 esiste il concetto di utilizzare impulsi di luce polarizzata casualmente e fortemente attenuati per una comunicazione quantistica sicura. La maggior parte delle sorgenti di luce commerciali per la comunicazione quantistica si basano ancora su questa idea. La sfida principale è produrre fotoni indistinguibili e polarizzati casualmente a un'alta velocità, in una sorgente il più compatta ed efficiente dal punto di vista energetico possibile.

Al Fraunhofer IOF di Jena è stata sviluppata una sorgente di fotoni basata su un array lineare di otto laser a semiconduttore a emissione verticale (VCSELs). Essa presenta una struttura particolarmente compatta, alta precisione spettrale e temporale, e buona qualità di polarizzazione. Il sistema è stato progettato specificamente per connessioni sicure tra satelliti e stazioni terrestri.

Fotoni indistinguibili e Stati Decoy

La nuova sorgente di fotoni utilizza un substrato di arsenico di gallio (GaAs) per otto VCSEL a 850 nm, con polarizzatori strutturati litograficamente, sviluppati presso l'Università di Stoccarda. Con questi componenti integrati, la sorgente può fornire quattro stati di polarizzazione (H/V/D/A) per segnali secondo il protocollo BB84, da una scatola ultracompatta.

Le variazioni di temperatura dei singoli VCSEL sono significativamente inferiori a 0,5 K. Ciò permette di mantenere le differenze di lunghezza d'onda dei pacchetti di fotoni polarizzati sotto i < 40 pm. Dati preliminari mostrano che i polarizzatori integrati sulla scheda raggiungono un rapporto di estinzione di almeno 12 dB in diagonale e almeno 20 dB in direzione orizzontale o verticale.

La nuova sorgente di fotoni utilizza un substrato di arsenico di gallio (GaAs) per otto VCSEL con polarizzatori strutturati litograficamente, sviluppati presso l'Università di Stoccarda. Con questi componenti integrati, la sorgente può fornire quattro stati di polarizzazione (H/V/D/A) per segnali secondo il protocollo BB84, da una scatola ultracompatta.

Le variazioni di temperatura dei singoli VCSEL sono significativamente inferiori a 0,5 K. Ciò permette di mantenere le differenze di lunghezza d'onda dei pacchetti di fotoni polarizzati

Quattro degli otto canali VCSEL forniscono Stati Decoy, utilizzando un elemento di attenuazione (~4 dB). Ciò aumenta la sicurezza complessiva della connessione di comunicazione quantistica, poiché nel sistema vengono prodotti impulsi di segnale e di disturbo spettralmente e temporalmente indistinguibili.

La conversione digitale-analogica integrata, sviluppata in collaborazione con l'Università di Ilmenau, consente una frequenza di sequenza di impulsi fino a 5 GHz. Si prevede che questo segnale provenga da un generatore di numeri casuali quantistici aggiuntivo. Il sistema ottico della sorgente è contenuto in una scatola KOVAR con coefficiente di espansione basso.

La sorgente VCSEL per la distribuzione di chiavi quantistiche basata su BB84 con Stati Decoy si adatta, grazie ai componenti integrati, a un volume di 40 × 40 × 43 mm³. I segnali dei otto canali separati differiscono spettralmente di meno di 50 pm e presentano differenze nel ritardo temporale di

Presentazione alla Photonics West 2025

Il team del Fraunhofer IOF presenterà un prototipo della sorgente di fotoni per la comunicazione quantistica sicura alla SPIE Photonics West di quest'anno a San Francisco (USA), dal 28 al 30 gennaio, presso lo stand Fraunhofer nel Padiglione Tedesco (4205 North Hall).

Erik Beckert, responsabile del dipartimento «Componenti e sistemi opto-meccatronici» del Fraunhofer IOF, presenterà la tecnologia il 26 gennaio alle 13:50 (Sala 158, Moscone South) nel suo intervento «Sorgente di fotoni ultracompatta basata su VCSEL per QKD prepare-and-measure».