QSource

Photonen (Lichtteilchen) sind eine Grundlage der Quantentechnologie und eignen sich exzellent für die Quantenkommunikation. Diese ermöglicht eine absolut sichere Datenübertragung, die auf den Grundlagen der Quantenphysik beruht. Jeder Versuch, die Kommunikation mitzuhören, zerstört die quantenmechanische Beziehung der Photonen – die sogenannte Verschränkung – und kann daher sofort bemerkt werden.

Bisher werden bei verschränkten Photonen vorwiegend binäre Freiheitsgrade verwendet – also Freiheitsgrade mit nur zwei möglichen Zuständen, man sagt auch in zwei Dimensionen, wie z. B. die Polarisation der Lichtteilchen. Dies begrenzt die Menge an übertragener Information pro Photon stark. Diese Beschränkung gilt auch für das Austauschen des Schlüssels („Keys“), der für eine sichere Verschlüsselung im Rahmen des quantenbasierten Schlüssel-austauschs („Quantum Key Distribution – QKD“) notwendig ist. Im Vorhaben QSource werden nun Freiheitsgrade genutzt, die höher dimensionale Zustände aufweisen. Als Beispiel sei hier der Drehimpuls (englisch: orbital-angular-momentum, kurz: OAM) von Photonen genannt, der prinzipiell unendlich viele Dimensionen besitzen kann. Damit lassen sich mit einem einzelnen Photon im Prinzip sehr viele Informationen auf einmal übertragen. Ziel des Vorhabens QSource ist es, robuste und stabile Quellen und Detektoren für OAM-Photonen zu erforschen und aufzubauen, um die Eignung von OAM-Photonen im Labor und vor allem für reale Einsatzmöglichkeiten erstmals zu zeigen. Langfristig soll dadurch eine abhörsichere und schnelle Datenübertragung mittels Quantenkommunikation ermöglicht werden.

Im Verbundprojekt QSource werden neue stabile Montage- und Packaging-Technologien für die optomechanischen und optoelektronischen Komponenten untersucht, die den Aufbau einer stabilen OAM-Photonenquelle sowie eines entsprechenden OAM-Detektors ermöglichen. Basierend auf einem Labormodell für Quelle und Detektor werden verschiedene Design-, Packaging- und Integrationstechnologien analysiert. Im Vorhaben soll so eine Photonenquelle (bspw. ein sogenannter Pumplaser) und ein Detektor (bspw. eine Zählelektronik) für die Quantenkommunikation realisiert werden. Letztlich wird über eine kurze Freistrahlverbindung (Aussendung von Photonen aus der Quelle und Analyse mittels Detektor) die prinzipielle Eignung des Gesamtsystems gezeigt. Dieser Nachweis wird bereits ein Quantenkommunikationsprotokoll basierend auf einer Verschränkung in bis zu vier Dimensionen nutzen.