Ultrakompakte źródło światła do kwantowego szyfrowania

Obudowa diod laserowych VCSEL z zintegrowanym układem kontroli temperatury jest niezwykle kompaktowa. © Fraunhofer IOF / The housing of VCSEL laser diodes with integrated temperature control is extremely compact. © Fraunhofer IOF

Schematyczny rysunek ośmiokanałowego źródła VCSEL do fotonów zaszyfrowanych polaryzacyjnie. © Fraunhofer IOF / Schematyczne przedstawienie ośmiokanałowego źródła VCSEL do fotonów zaszyfrowanych polaryzacyjnie. © Fraunhofer IOF

Przedstawienie źródła VCSEL na płytce drukowanej z ramą KOVAR. W ramie mieści się optyka, która jest zamocowana na górze układu VCSEL. Szklany czubek na obudowie to łącznik falowodowy, z którego wychodzi sygnał polaryzacyjny. © Fraunhofer IOF / Źródło VCSEL na ceramicznej płytce drukowanej (PCB) jest pokazane z obudową z ramy KOVAR. Mały szklany czubek na górze obudowy to łącznik falowodowy, z którego wychodzi sygnał polaryzacyjny. © Fraunhofer IOF

Źródło jest zamontowane na ceramicznej płytce obwodu drukowanego (PCB) z molibdenowym radiatorem. Płytka nosi VCSEL i układ sterujący (w centrum). Skrzydła to wtyki do komponentów zarządzania ciepłem. © TU Ilmenau

Instytut Fraunhofer ds. Optyki Stosowanej i Mikrotechniki IOF prezentuje na SPIE Photonics West w San Francisco (28-30 stycznia 2025) nowe źródło fotonów, które zostało specjalnie opracowane dla protokołu »Prepare-and-Measure« w komunikacji kwantowej. Komponenty źródła są zoptymalizowane do zastosowań kosmicznych.

Od połowy lat 80. XX wieku istnieje koncepcja wykorzystywania silnie osłabionych, losowo spolaryzowanych impulsów świetlnych do bezpiecznej komunikacji kwantowej. Większość komercyjnych źródeł światła do komunikacji kwantowej opiera się do dziś na tej idei. Największym wyzwaniem jest wytwarzanie nieodróżnialnych i losowo spolaryzowanych fotonów z wysoką częstotliwością w jak najkompaktowym i energooszczędnym źródle.

W Instytucie Fraunhofer IOF w Jenie opracowano źródło fotonów oparte na liniowej macierzy ośmiu pionowo emisyjnych laserów półprzewodnikowych (VCSELs). Posiada ono szczególnie kompaktową konstrukcję, wysoką precyzję spektralną i czasową oraz dobrą jakość polaryzacji. System został specjalnie zaprojektowany do bezpiecznych połączeń satelitów z stacją naziemną.

Nieodróżnialne fotony i stany przynęty

Nowe źródło fotonów wykorzystuje substrat z arsenku galu (GaAs) dla ośmiu VCSELów o długości fali 850 nm, z lithograficznie strukturalizowanymi polaryzatorami, które zostały opracowane na Uniwersytecie w Stuttgarcie. Dzięki tym zintegrowanym komponentom źródło może dostarczać cztery stany polaryzacji (H/V/D/A) dla sygnałów zgodnie z protokołem BB84 w ultrakompaktowej obudowie.

Odchylenia temperatury poszczególnych VCSELów są wyraźnie mniejsze niż 0,5 K. Dzięki temu różnice długości fal spolaryzowanych pakietów fotonów mogą być utrzymane na poziomie < 40 pm. Wstępne dane pokazują, że polaryzatory na chipie osiągają współczynnik ekstynkcji co najmniej 12 dB w kierunku diagonalnym i co najmniej 20 dB w kierunku poziomym lub pionowym.

Nowe źródło fotonów wykorzystuje substrat z arsenku galu (GaAs) dla ośmiu VCSELów z lithograficznie strukturalizowanymi polaryzatorami, które zostały opracowane na Uniwersytecie w Stuttgarcie. Dzięki tym zintegrowanym komponentom źródło może dostarczać cztery stany polaryzacji (H/V/D/A) dla sygnałów zgodnie z protokołem BB84 w ultrakompaktowej obudowie.

Odchylenia temperatury poszczególnych VCSELów są wyraźnie mniejsze niż 0,5 K. Dzięki temu różnice długości fal spolaryzowanych pakietów fotonów

Cztery z ośmiu kanałów VCSEL dostarczają stany przynęty, wykorzystując tłumik (~4 dB). Zwiększa to ogólne bezpieczeństwo połączenia kwantowego, ponieważ w systemie generowane są zarówno sygnały, jak i impulsy maskujące, które są spektralnie i czasowo nieodróżnialne.

Zintegrowana konwersja cyfrowo-analogowa, opracowana we współpracy z TU Ilmenau, umożliwia częstotliwość impulsów do 5 GHz. Oczekuje się, że to sygnał pochodzi z dodatkowego generatora losowych liczb kwantowych. System optyczny źródła jest umieszczony w obudowie z kovaru o niskim współczynniku rozszerzalności.

Źródło VCSEL do dystrybucji klucza kwantowego opartego na protokole BB84 z stanami przynęty mieści się w objętości 40 × 40 × 43 mm³ dzięki zintegrowanym komponentom. Sygnały ośmiu oddzielnych kanałów różnią się spektralnie o mniej niż 50 pm i mają różnice w opóźnieniu czasowym

Prezentacja na Photonics West 2025

Zespół z Instytutu Fraunhofer IOF zaprezentuje prototyp źródła fotonów do bezpiecznej komunikacji kwantowej podczas tegorocznej SPIE Photonics West w San Francisco (USA) w dniach od 28 do 30 stycznia na stoisku Fraunhofer w Pawilonie Niemieckim (4205 North Hall).

Erik Beckert, kierownik działu „Komponenty i systemy opto-mechatroniczne” w Fraunhofer IOF, przedstawi tę technologię 26 stycznia o godzinie 13:50 (sala 158, Moscone South) podczas swojego referatu „Ultrakompaktowe źródło fotonów oparte na VCSEL do przygotowania i pomiaru QKD”.