Bessere Lichtquelle für Quantenkryptografie

Forscher des Paul-Drude-Instituts haben eine Quelle entwickelt, mit der sie einzelne Photonen in hoher Wiederholrate und in geanau definierten zeitlichen Abständen versenden können. Sie nutzen dazu akustische Oberflächenwellen. Mit einzelnen Photonen, den kleinsten "Lichtteilchen", lassen sich Informationen abhörsicher verschlüsseln. Das beruht auf quantenmechanischen Gesetzen, wonach man die Eigenschaften eines Photons nicht messen - und es somit nicht abhören - kann, ohne genau diese Eigenschaften zu verändern.

Forscher des Paul-Drude-Instituts für Festkörperelektronik haben jetzt eine Quelle entwickelt, mit der sie einzelne Photonen in exakt definierten Zeitabständen und mit einer hohen Wiederholrate aussenden können. Sie benutzen dazu elastische Wellen, die elektrische Ladungen über einen mit Quantenpunkten bestückten Halbleiterchip "pumpen". Sie berichten darüber in der aktuellen Ausgabe des Fachmagazins 'Nature Photonics'.

Herkömmliche Einzelphotonenquellen, bei denen Atome oder Halbleiter-Nanoteilchen, sogenannte Quantenpunkte, per Laser angeregt werden, emittieren Photonen mit einer Frequenz von bis zu 80 MHz. Um die Quantenkryptografie noch leistungsfähiger zu machen, möchte man möglichst große Wiederholraten der ausgesandten Photonen erzielen. Außerdem müssen die einzelnen Lichtteilchen in sehr gleichmäßigen Abständen ausgesendet werden.

Die PDI-Forscher um Paulo Santos haben jetzt eine Möglichkeit gefunden, Photonen mit einer zehnmal höheren Wiederholrate auszusenden und deren Abstände exakt gleich einzustellen. Auf einem winzigen Galliumarsenidchip befindet sich eine Ansammlung von Quantenpunkten. In einigem Abstand zu den Punkten erzeugen die Forscher mit einem Laser positive und negative elektrische Ladungen, also Elektronen und "Löcher".

Am anderen Ende des Chips sendet ein akustischer Wandler eine Oberflächenwelle - eine Art Schallwelle - aus, welche die Ladungsträger in Richtung der Quantenpunkte "pumpt". Dabei befinden sich die Elektronen jeweils im Tal der Welle, die "Löcher" auf dem Wellenberg. Treffen sich beide Ladungen in einem Quantenpunkt, wird dieser angeregt mit der Folge, dass er ein Photon aussendet. Über die Höhe der Wellenberge und -täler können die Forscher steuern, welche Quantenpunkte angeregt werden.

Bevor dieses System für die Quantenkryptografie verwendet werden kann, stehen die Forscher noch vor einigen Herausforderungen. So erfolgen die bisherigen Versuche bei Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt, was für den praktischen Einsatz nicht geeignet ist. Außerdem wollen die Forscher das Auffangen der Photonen optimieren, die jetzt in alle Richtungen emittiert werden. Durch Einsatz eines Resonators wollen sie erreichen, dass die Lichtteilchen bevorzugt in eine Richtung fliegen.