Deterministische Einzelphotonenquellen für faserbasierte Inter-City-Verbindungen
Angriffe auf die Datenspeicherung und den Datentransfer, sowohl im Bereich kritischer Infrastruktur als auch im Privaten, stellen ein enormes Risiko dar, welches immer schwerer abzuwehren ist. Dies hat in den letzten Jahren und Jahrzehnten weltweit Forschung zu prinzipiell abhörsicheren Übertragungsverfahren mittels Quantenkryptographie motiviert. Grundlage dieser Verfahren ist der Einsatz einzelner Photonen als Informationsträger zur Verteilung eines geheimen Schlüssels, der für die Absicherung der Datenkommunikation eingesetzt werden kann. Beispielsweise können mit dieser Technologie Versuche eines Angriffs von außen dank quantenphysikalischer Gesetze aufgedeckt werden, wodurch informationstheoretische Sicherheit ermöglicht wird.
Ziel des Verbundvorhabens „Deterministische Einzelphotonenquellen für faserbasierte Inter-City-Verbindungen“ (QuNET+ICLink) ist die Erforschung einer neuen, hocheffizienten deterministischen Einzelphotonenquelle (dEPQ) für die quantengesicherte Datenübertragung. Diese soll im für Glasfasernetzwerke besonders wichtigen Spektralbereich um 1550 nm in einer glasfaserbasierten Inter-City-Verbindung eingesetzt werden. Um einzelne Photonen höchster Güte zu erzeugen, werden spezielle Halbleiterlaser auf der Basis von neuartigen Quantenstrukturen für die Ansteuerung der Einzelphotonenquellen entwickelt. Die Spezifikationen der Halbleiterlaser können damit in bisher nicht möglicher Weise auf die Anforderungen der dEPQ abgestimmt werden. Die mittels der Halbleiterlaser angeregten dEPQ werden zunächst im Labormaßstab untersucht und optimiert. Anschließend erfolgt die Integration in einen benutzerfreundlichen mobilen – und damit flexibel einsetzbaren – Demonstrator, der in einer 75 km langen Inter-City-Glasfaserteststrecke zwischen Jena und Erfurt für die Quantenkommunikation eingesetzt wird.
Die im Projekt geplanten dEPQs gehen über den derzeitigen Stand der Technik deutlich hinaus. Sie weisen gegenüber verfügbaren dEPQs eine um mehr als zehnfach höhere Einzelphotonenemissionsrate auf und ermöglichen eine entsprechend schnellere Quantenschlüsselübertragung. Gleichzeitig ist zu erwarten, dass die Herstellung dieser dEPQs zehnfach günstiger sein wird als bisher verwendete Quellen. Darüber hinaus zeichnen sich die hier erforschten dEPQs durch ihre kompakte Bauform sowie ihre hohe Robustheit aus, wodurch perspektivisch eine breite Integration in bestehende Netzwerkinfrastrukturen möglich wird. Nach erfolgreichem Abschluss des Vorhabens ist zu erwarten, dass diese hocheffizienten, kostengünstigen und kompakten dEPQs in marktreife Produkte überführt und große Marktanteile bei der Quantenschlüsselübertragung erreichen werden. Insbesondere für die QuNET-Initiative stellen die Quellen eine wichtige Innovation dar, da sie einen elementaren Technologiebaustein für den perspektivisch flächendeckenden Aufbau eines abhörsicheren Quantenkommunikationsnetzes für Behörden, Betreiber kritischer Infrastruktur und in anderen Hochsicherheitsbereichen darstellen. Die Arbeiten leisten somit einen wichtigen Beitrag, um die Gesamtziele der QuNET-Initiative zu erreichen.