Bessere Lichtquelle für Quantenkryptografie

Mit einem Laser werden Elektronen und "Löcher" erzeugt (Pfeil nach unten). Eine akustische Welle pumpt die Ladungen in Richtung Quantendots. Diese werden angeregt und emittieren einzelne Photonen (Pfeil nach oben). Abb.: PDI

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 von Nature Photonics.

Herkömmliche Einzelphotonenquellen, bei denen Atome oder Halbleiter-Nanoteilchen, sogenannte Quantenpunkte, per Laser angeregt werden, emittieren Photonen mit einer Wiederholrate (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 Dr. 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. Denn diese sind leicht unterschiedlich und haben deshalb unterschiedliche Emissionsenergien. Damit können auch Photonen mit unterschiedlichen Energien ausgesendet werden.

Zum Nachweis, dass es sich wirklich einzelne Photonen handelt, verwenden die Forscher ein Verfahren, dass die Doppeleigenschaft des Lichts nutzt, zugleich Welle und Teilchen zu sein. Sie leiten das ausgestrahlte Licht durch einen Strahlteiler auf zwei Detektoren. Liegt ein einzelnes Lichtteilchen vor, kann es sich nicht mehr teilen, weshalb nur einer der beiden Detektoren ein Signal erhält.

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.

Quelle: Forschungsverbund Berlin e.V.