Sichere Quantenkommunikation Einzelphotonenquelle für das zukünftige Quanteninternet

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Japanische Forscher haben eine Methode entwickelt, bei der eine kostengünstige Einzel-Photonenquelle direkt in die Glasfaser integriert ist. Dadurch soll die Sicherheit bei der Kommunikation steigen und teure Kryosysteme sollen überflüssig werden.

Mit der zunehmenden Rechenleistung von Quantencomputern geraten klassische kryptographische Verfahren unter Druck. Vor allem asymmetrische Algorithmen wie RSA oder ECC könnten durch Quantenalgorithmen (z. B. Shor-Algorithmus) geknackt werden. Um die Datensicherheit langfristig zu gewährleisten, arbeiten Forschende an quantenmechanischen Kommunikationssystemen, die auf physikalisch sicherer Informationsübertragung beruhen.

Ein zentrales Element solcher Systeme ist die Einzelphotonenquelle, die definierte Photonenpakete für Quanten-Schlüsselverteilungsverfahren (QKD) bereitstellt. Entscheidend für den praktischen Einsatz ist eine verlustarme Einkopplung der Photonen in Standard-Lichtwellenleiter, da jede optische Dämpfung die Reichweite und Effizienz der Quantenverbindung reduziert.

Bisher wurden Einzelphotonenquellen meist außerhalb der Lichtleitfaser realisiert, etwa mit Quantenpunkten oder seltenen Erden-Ionen in Festkörpermatrizen. Diese Bauweise führte jedoch zu hohen Koppelverlusten, weil nur ein kleiner Teil der emittierten Photonen in den Faser-Eingangsmodus gelangte. Für eine praxistaugliche Quantennetzwerk-Architektur sind daher hohe Kopplungs- und Kanalisierungseffizienzen unabdingbar.

Glasfaser gekoppelte Einzel-Photonenquelle

In einer Studie hat ein Forschungsteam unter der Leitung von Associate Professor Kaoru Sanaka von der Tokyo University of Science (TUS) in Japan nun eine Lösung gefunden: Sie entwickelten eine hocheffiziente Glasfaser gekoppelte Einzel-Photonenquelle, bei der die Photonen direkt innerhalb der Faser erzeugt werden. Prof. Sanaka erklärt: „In unserem Ansatz wird ein einzelnes isoliertes RE-Ion, das in einer verjüngten optischen Faser eingeschlossen ist, selektiv durch einen Laser angeregt, um einzelne Photonen zu erzeugen.“

Das Team umfasste auch den Doktoranden Kaito Shimizu, Assistenzprofessor Tomo Osada von der TUS und Associate Professor Mark Sadgrove. Ihre Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Optics Express veröffentlicht.

Die Forscher verwendeten eine mit Neodym-Ionen (Nd3+) dotierte Siliziumfaser, die aufgrund ihrer Emissionseigenschaften im nahen Infrarot um 1.060 nm im Telekommunikationsbereich vielseitig ist. Mittels eines thermischen Verjüngungsprozesses wurde die Faser dünner gemacht, um die Nd3+-Ionen gezielt anzuregen.

Das führte zu einer neuartigen Methode, bei der „einzelne Nd3+-Ionen bei Raumtemperatur selektiv mit einem Pump-Laser angeregt wurden, um einzelne Photonen direkt im geleiteten Modus der Faser zu erzeugen“, erläutert Prof. Sanaka weiter.

Dieser innovative Ansatz ermöglicht durch den Einsatz kommerziell erhältlicher Lichtwellenleiter eine kostengünstige und einfache Integration in bestehende Systeme. Zudem entfällt der Bedarf an kostspieligen Kryosystemen, da das System bei Raumtemperatur arbeitet. Prof. Sanaka betont: „Unsere Methode erlaubt die hocheffiziente Übertragung von Einzelphotonen von der Quelle zum Ziel.“ Diese Merkmale machen es zu einem aussichtsreichen Kandidaten für die nächste Generation von quantenbasierten Netzwerken.

Aus Sicht der Hochfrequenz- und Photonik-Entwicklung bietet dieser Ansatz mehrere Vorteile:

• Integrierbarkeit: Nutzung handelsüblicher Glasfasern vereinfacht HF-Layout und Systemintegration.

• Skalierbarkeit: Mehrkanalige Strukturen mit mehreren Ionen innerhalb einer Faser sind denkbar und ermöglichen photonische Multiqubit-Systeme.

• Signalintegrität: Direkte Wellenleiterkopplung minimiert Reflexions- und Verluststellen, was für präzise Synchronisations- und Timing-Systeme im GHz-Bereich relevant ist.

Dabei könnte die Methode nicht nur für Quantenkommunikationssysteme, sondern auch für Quantencomputing-Anwendungen genutzt werden. Indem mehrere isolierte Ionen innerhalb einer Faser betrieben werden, lassen sich verbesserte Multiqubit-Prozessoren entwickeln.

Künftige Forschungen über die Quantenkommunikation hinaus

Zukünftige Forschungen sollten sich darauf konzentrieren, die Welllänge der Photonen weiter zu optimieren, um praktische Anwendungen in der Spektroskopie und Bildgebungsanalyse zu ermöglichen. Langfristig könnte diese Technologie nicht nur für Quantenkommunikationsnetze, sondern auch für spektral selektive Messverfahren, optische Taktverteilungssysteme und photonische Rechenarchitekturen genutzt werden. Insgesamt stellt diese Entwicklung in der Einzel-Photonenquelle für praktische Quantentechnologien einen bedeutenden Fortschritt dar und ebnet den Weg für sichere, abhörsichere Kommunikationsnetze. (heh)

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