Einzelphotonenquelle ebnet den Weg für praktische Quantenverschlüsselung

Forscher haben eine neue hochreine Einzelphotonenquelle entwickelt, die bei Raumtemperatur betrieben werden kann. Die Quelle ist ein wichtiger Schritt hin zu praktischen Anwendungen der Quantentechnologie, wie z. B. der hochsicheren Kommunikation auf Basis der Quantenschlüsselverteilung (QKD).

„Wir haben eine On-Demand-Methode entwickelt, um Photonen mit hoher Reinheit in einem skalierbaren und tragbaren System zu erzeugen, das bei Raumtemperatur betrieben wird“, sagte Helen Zeng, Mitglied des Forschungsteams der University of Technology Sydney in Australien. „Unsere Einzelphotonenquelle könnte die Entwicklung praktischer QKD-Systeme vorantreiben und kann in eine Vielzahl realer quantenphotonischer Anwendungen integriert werden.“

In der Zeitschrift der Optica Publishing Group Optik Buchstaben, Zeng und Kollegen von der australischen University of New South Wales und der Macquarie University beschreiben ihre neue Einzelphotonenquelle und zeigen, dass sie bei Raumtemperatur über zehn Millionen einzelne Photonen pro Sekunde erzeugen kann. Sie bauten die Einzelphotonenquelle auch in ein vollständig tragbares Gerät ein, das QKD durchführen kann.

Die neue Einzelphotonenquelle kombiniert auf einzigartige Weise ein 2-D-Material namens hexagonales Bornitrid mit einer optischen Komponente, die als hemisphärische feste Immersionslinse bekannt ist, was die Effizienz der Quelle um den Faktor sechs erhöht.

Einzelne Photonen bei Raumtemperatur

QKD bietet eine undurchdringliche Verschlüsselung für die Datenkommunikation, indem es die Quanteneigenschaften von Licht nutzt, um sichere Zufallsschlüssel zum Verschlüsseln und Entschlüsseln von Daten zu generieren. QKD-Systeme erfordern robuste und helle Quellen, die Licht als Kette einzelner Photonen emittieren. Die meisten der heutigen Einzelphotonenquellen funktionieren jedoch nur dann gut, wenn sie bei kryogenen Temperaturen von Hunderten von Grad unter Null betrieben werden, was ihre Praktikabilität einschränkt.

Obwohl hexagonales Bornitrid zuvor verwendet wurde, um eine Einzelphotonenquelle zu schaffen, die bei Raumtemperatur arbeitet, war es den Forschern bisher nicht möglich, die für eine reale Anwendung erforderliche Effizienz zu erreichen. „Die meisten Ansätze zur Verbesserung von Einzelphotonenquellen aus hexagonalem Bornitrid beruhen auf der präzisen Positionierung des Emitters oder der Verwendung von Nanofabrikation“, sagte Zeng. „Das macht die Geräte komplex, schwierig zu skalieren und nicht einfach in Massenproduktion herzustellen.“

Zeng und Kollegen machten sich daran, eine bessere Lösung zu schaffen, indem sie eine solide Immersionslinse verwendeten, um die Photonen zu fokussieren, die vom Einzelphotonen-Emitter kommen, wodurch mehr Photonen erkannt werden können. Diese Linsen sind im Handel erhältlich und einfach herzustellen.

Die Forscher kombinierten ihre neue Einzelphotonenquelle mit einem speziell angefertigten tragbaren konfokalen Mikroskop, das die einzelnen Photonen bei Raumtemperatur messen kann, und schufen so ein System, das QKD durchführen kann. Einzelphotonenquelle und konfokales Mikroskop sind in einem robusten Gehäuse untergebracht, das nur 500 x 500 Millimeter misst und rund 10 Kilogramm wiegt. Das Paket ist auch so konstruiert, dass es mit Vibrationen und Streulicht fertig wird.

„Unser optimiertes Gerät ist einfacher zu bedienen und viel kleiner als herkömmliche optische Tischaufbauten, die oft ganze Labore einnehmen“, sagte Zeng. „Dadurch kann das System mit einer Reihe von Quantencomputing-Schemata verwendet werden. Es könnte auch an die bestehende Telekommunikationsinfrastruktur angepasst werden.“

Demonstration der Quantenkryptographie

Tests der neuen Einzelphotonenquelle zeigten, dass sie eine Einzelphotonen-Sammelrate von 107 Hz erreichen konnte, während sie eine hervorragende Reinheit beibehielt – was bedeutet, dass jeder Puls eine geringe Wahrscheinlichkeit hatte, mehr als ein Photon zu enthalten. Es zeigte auch eine außergewöhnliche Stabilität über viele Stunden Dauerbetrieb. Die Forscher demonstrierten auch die Fähigkeit des Systems, QKD unter realistischen Bedingungen durchzuführen, und zeigten, dass gesichertes QKD mit Wiederholungsraten von 20 MHz über mehrere Kilometer machbar wäre.

Nachdem die Forscher nun den Beweis erbracht haben, dass ihr tragbares Gerät komplexe Quantenkryptographie durchführen kann, planen sie weitere Tests seiner Robustheit, Stabilität und Effizienz während der Verschlüsselung durchzuführen. Sie planen auch, die neue Quelle zu verwenden, um QKD unter realen Bedingungen und nicht im Labor durchzuführen. „Wir sind jetzt bereit, diese wissenschaftlichen Fortschritte bei Quanten-2-D-Materialien in technologiereife Produkte umzuwandeln“, sagte Igor Aharonovich, der das Projekt leitete.