Fasergekoppelte GaSb-Quantenpunkt-Quellen mit abstimmbaren Einzelphotonen für die Quantenschlüsselverteilung im Feldeinsatz

• Antragsteller: Dr. Tobias Huber-Loyola
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Optik, Quantenoptik und Physik der Atome, Moleküle und Plasmen
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 532770894

Im Gegensatz zur klassischen Kryptografie, bei der die Sicherheit auf mathematischer Komplexität beruht, ermöglicht der Quantenschlüsselaustausch (QKD) eine theoretisch nachweisbare Sicherheit. Das erste hierfür vorgeschlagene Protokoll - das BB84-Protokoll - verwendet einzelne Photonen zur Informationsübertragung. Da es jedoch den derzeitigen Einzelphotonenquellen entweder an Effizienz oder Praktikabilität mangelt, verwenden die meisten QKD-Implementierungen bisher schwache kohärente Pulse. Diese erfordern sog. Decoy-zustände, um mögliche Angriffe zu erkennen, und können nicht auf Quanten-Repeater-Architekturen ausgedehnt werden, was ihre Leistung und Anwendbarkeit einschränkt. Um diese Einschränkungen zu überwinden, werden effiziente On-Demand-Einzelphotonenquellen benötigt, die im Telekommunikations-Spektralbereich emittieren. Unter den verschiedenen physikalischen Systemen bieten Quantenpunktquellen die deterministische Erzeugung von Einzelphotonen höchster Qualität. Da sie mit der Halbleitertechnologie kompatibel sind, eignen sie sich für integrierte und skalierbare On-Chip-Lösungen. Im Rahmen des FiGAnti-Projekts werden wir ein alternatives Materialsystem für nicht-klassische Lichtquellen erforschen, die in den Telekommunikationsbändern arbeiten - Quantenpunkte auf Antimonbasis. Das Hauptziel des Projekts besteht darin, einzelne Photonen aus einem (In)GaSb/AlGaSb-Quantenpunkt-Bauelement in einer bestehenden Glasfaserverbindung zur QKD-Demonstration einzusetzen. Um dieses Ziel zu erreichen, werden wir zunächst die grundlegenden Eigenschaften des Materials verstehen und verschiedene photonische Strukturen (zirkulare Bragg-Gitter-Resonatoren und photonische Nanodraht-Resonatoren) untersuchen, um die SPS-Eigenschaften zu entwickeln. Die praktische Relevanz unserer Einzelphotonenquelle wird erhöht, indem wir die Abstimmung ihrer Emissionsenergie, Ladungsstabilisierung und Faserkopplung einbeziehen, um identische, skalierbare, kompakte und robuste Quellen zu erhalten. Unser Teststand wird es uns ermöglichen, die genaue Übertragungswellenlänge im Hinblick auf den Kompromiss zwischen Übertragungsverlust und Rauschen zu optimieren und die besten erreichbaren Parameter unter Verwendung der vorgeschlagenen Materialplattform zu bestimmen. Die Quantenpunkt-basierte Einzelphotonenquelle wird mit kommerziellen QKD-Lösungen (mit diskreten und kontinuierlichen Variablen) verglichen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Finnland, Frankreich, Polen, Schweden
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Sven Höfling
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Jean-Michel Gerard; Professor Dr. Mircea Guina; Dr. Anna Musial; Professor Dr. Valery Zwiller