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| Teilchen- und Quantenphysik |
| Ultrakompakte Lichtquelle für Quantenverschlüsselung |
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Fraunhofer IOF präsentiert VCSEL-basierte Photonenquelle für quantenverschlüsselte Kommunikation
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF präsentiert auf der SPIE Photonics West in San Francisco (28. bis 30. Januar 2025) eine neue Photonenquelle, die speziell für das »Prepare-and-Measure«-Protokoll der Quantenkommunikation entwickelt wurde. Die Komponenten der Quelle sind für den Weltraumeinsatz optimiert.
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. Die grösste Herausforderung ist dabei, ununterscheidbare und zufällig polarisierte Photonen mit einer hohen Rate in einer möglichst kompakten und energieeffizienten Quelle zu erzeugen.
Am Fraunhofer IOF in Jena wurde nun eine Photonenquelle entwickelt, die auf einem linearen Array aus acht vertikal emittierenden Halbleiterlasern (VCSELs) basiert. Sie verfügt über eine besonders kompakte Bauweise, hohe spektrale und zeitliche Präzision sowie eine gute Polarisationsqualität. Das System ist speziell für sichere Verbindungen von Satelliten zur Bodenstation entwickelt.
Ununterscheidbare Photonen und Decoy States
Die neue Photonenquelle nutzt ein Galliumarsenid (GaAs)-Substrat für acht VCSEL bei 850 nm mit lithographisch strukturierten Polarisatoren, die an der Universität Stuttgart entwickelt wurden. Mit diesen integrierten Komponenten kann die Quelle vier Polarisationszustände (H/V/D/A) für Signale nach dem BB84 Protokoll aus einer ultrakompakten Box liefern.
Die Temperaturabweichungen der einzelnen VCSEL sind deutlich kleiner als 0,5 K. Dadurch können die Wellenlängenunterschiede der polarisierten Photonenpakete < 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.
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Vier der acht VCSEL-Kanäle liefern Decoy States, indem ein Dämpfungsglied (~4 dB) verwendet wird. Das erhöht die Gesamtsicherheit der Quantenkommunikationsverbindung, da im System sowohl Signal- als auch Täuschungspulse spektral und zeitlich ununterscheidbar erzeugt werden.
Die integrierte Digital-Analog-Wandlung, entwickelt in Kooperation mit der TU Ilmenau, erlaubt eine Pulsfolgefrequenz von bis zu 5 GHz. Es wird erwartet, dass dieses Signal von einem zusätzlichen Quantenzufallszahlengenerator stammt. Das optische System der Quelle ist in einer KOVAR-Box mit niedrigem Ausdehnungskoeffizienten untergebracht.
Die VCSEL-Quelle für die BB84-basierte Quantenschlüsselverteilung mit Decoy States passt dank der integrierten Komponenten in ein Volumen von 40 . 40 . 43 mm.. Die Signale der acht separaten Kanäle unterscheiden sich spektral weniger als 50 pm und haben Unterschiede in der Zeitverzögerung von <1 ps. Damit ist die Quelle 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.
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Über das Fraunhofer IOF
Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena betreibt anwendungsorientierte Forschung auf dem Gebiet der Photonik und entwickelt innovative optische Systeme zur Kontrolle von Licht - von der Erzeugung und Manipulation bis hin zu dessen Anwendung. Das Leistungsangebot des Instituts umfasst die gesamte photonische Prozesskette vom opto-mechanischen und opto-elektronischen Systemdesign bis zur Herstellung von kundenspezifischen Lösungen und Prototypen. Am Fraunhofer IOF erarbeiten knapp 500 Mitarbeitende das jährliche Forschungsvolumen von 40 Millionen Euro.
Über die Fraunhofer-Gesellschaft
Die Fraunhofer-Gesellschaft mit Sitz in Deutschland ist die weltweit führende Organisation für anwendungsorientierte Forschung. Mit ihrer Fokussierung auf zukunftsrelevante Schlüsseltechnologien sowie auf die Verwertung der Ergebnisse in Wirtschaft und Industrie spielt sie eine zentrale Rolle im Innovationsprozess. Als Wegweiser und Impulsgeber für innovative Entwicklungen und wissenschaftliche Exzellenz wirkt sie mit an der Gestaltung unserer Gesellschaft und unserer Zukunft.
Die 1949 gegründete Organisation betreibt in Deutschland derzeit 76 Institute und Forschungseinrichtungen. Etwa 30 800 Mitarbeitende, überwiegend mit natur- oder ingenieurwissenschaftlicher Ausbildung, erarbeiten das jährliche Forschungsvolumen von rund 3,0 Mrd. €. Davon fallen 2,6 Mrd € auf den Bereich Vertragsforschung.
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| Quelle:
Text Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF, 16. Januar 2025 |
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Halbleiter |
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| Halbleiter |
| Halbleiter sind chemische Elemente und chemische Verbindungen,welche hohe elektrische Widerstände besitzen. Die Grösse ihrer elektrischen Widerstände nimmt im Allgemeinen mit abnehmender Temperatur zu. Bei tiefen Temperaturen wirken die Halbleiter wie Isolatoren. Bei Zimmertemperatur liegt die elektrische Leitfähigkeit der Halbleiter zwischen derjenigen von Metallen und jenen von Isolatoren.
Die charakteristische Eigenschaft der Halbleiter liegt vor allem darin, dass ihre Ladungsträger erst durch Zuführung von thermischer Energie (Wärme) oder optischer Energie (Licht) aktiviert werden. Metalle zeigen dieses Verhalten nicht.
Bei den Elektronenhalbleitern erfolgt der Ladungstransport durch Elektronen. Sie liegen im Periodensystem der chemischen Elemente zwischen der II.- und der VI.-Gruppe. Vertreter dieser Grupen sind u.a. die chemischen Elemente Aluminium, Kupfer, Zinn, Selen, Silber Indium, Silicium, Gallium, Germanium. |
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