Miniaturisierte Verschränkungsquelle für eine quantenverschlüsselte Informationsübertragung
Abb. 1: Struktur der im VOMBAT-Projekt entwickelten DBR-Laser, in denen Laserlicht mit 775 nm in verschränkte Photonen bei 1550 nm umgewandelt wird.
Einzelne und verschränkte Photonen sind die Grundbausteine für die Quantenkommunikation. Sie sorgen dafür, dass unsere Kommunikation gegen Abhörangriffe gesichert werden kann. Um die existierende Infrastruktur weiter nutzen zu können und um große Entfernungen zu überbrücken, müssen die Quellen in verlustarmen Telekommunikationsbändern arbeiten. Dazu zählt beispielsweise das Telekom-C-Band bei Wellenlängen um 1550 nm.
Für die Datenübertragung an mehrere Empfänger werden breitbandige Quellen entwickelt, die Schlüssel via Wellenlängen-Demultiplexing übertragen. Um diese technischen Anforderungen zu erfüllen, ist am FBH das Projekt VOMBAT „Miniaturisierte Verschränkungsquelle im Telekombereich auf Basis von AlGaAs-Bragg-Reflexions-Wellenleitern“ gestartet. Im Projekt wird eine monolithisch-integrierte Quelle für verschränkte Photonenpaare auf Basis von elektrisch gepumpten Bragg-Reflexionswellenleitern (BRW) entwickelt. Hierbei wird in demselben Wellenleiter Laserlicht bei 775 nm durch elektrisches Pumpen erzeugt, welches dann durch einen nichtlinearen Prozess in verschränkte Photonpaare bei 1550 nm umgewandelt wird.
Das Verbundprojekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert. Fünf Partner aus Industrie und Forschung entwickeln darin einen AlGaAs-basierten Wellenleiter, der eine hohe spektrale Bandbreite im elektrischen Pumpbetrieb bietet. Das AlGaAs-Materialsystem ermöglicht hierbei eine vollständige monolithische On-Chip-Integration mit der ebenfalls AlGaAs-basierten Pumpquelle mit einer Emissionswellenlänge um 775 nm. Diese Quelle soll dann hybrid mit einer integrierten photonischen Schaltung zum Wellenlängen-Demultiplexing kombiniert werden.
Als nichtlineares Material eignet sich AlGaAs für die Entwicklung der verschränkten Photonquellen, da hier durch den Prozess der spontanen Fluoreszenz (SPDC) miteinander polarisationsverschränkte Photonen entstehen. Außerdem zeichnet sich das Material durch eine geringe Bandlückenenergie aus. Hinzu kommt eine sehr hohe Nichtlinearität im Vergleich zu anderen nichtlinearen Materialplattformen und die Möglichkeit, integrierte Laserquellen zu entwickeln. Daher bietet sich AlGaAs als vielversprechende breitbandige verschränkte Photonquelle im Telekom-C-Bereich (~1550 nm) an.
Im Projekt werden verschiedene Konzepte der monolithischen Integration der Photonen-Paarquelle evaluiert und die technologischen Herausforderungen für eine anschließende kommerzielle Verwertung untersucht. Der Ansatz verspricht erhebliche wirtschaftliche Vorteile gegenüber etablierten Lösungen, da er dank der deutlich geringeren Komplexität eine kostengünstige Massenfertigung ermöglicht. Durch die kleine Bauform und den Betrieb bei Raumtemperatur sinkt die notwendige Kühlleistung verglichen mit bisherigen Systemen, wodurch sich der Stromverbrauch in Quantentechnologie-Anwendungen reduziert.