Technologien für Quantenkommunikation

Der Quantenschlüsselaustausch (Quantum Key Distribution, QKD) ist eine Komponente der Quantenkommunikation und beinhaltet das Verteilen von Schlüsseln zum Chiffrieren und Dechiffrieren von Daten an Sender und Empfänger auf der Basis von Photonen, die die entsprechende Schlüsselinformation codieren. Dabei ist der Schlüssel durch die quantenmechanische Verschränkung der an Sender und Empfänger gerichteten Photonen physikalisch abhörsicher, weshalb die QKD als Zukunft der verschlüsselten Kommunikation angesehen wird.

Durch die gegenwärtig nur in Freistrahlanordnungen gewährleistete, lange Kohärenzlänge von verschränkten Photonen sind im Moment nur satellitengestützte optische Links zum Verteilen der Schlüsselinformationen über große Entfernungen geeignet. Am Fraunhofer IOF wurde dafür im Rahmen eines von der European Space Agency geförderten Projektes der Prototyp einer effizienten und raumfahrttauglichen verschränkten Photonenquelle entwickelt.

Aufbau

Die Quelle basiert auf einem hybriden Aufbau, in dem ein nichtlinearer, periodisch gepolter Kristall (ppKTP) von zwei Seiten in der Anordnung eines Sagnac-Interferometers gepumpt wird. Die dadurch angeregte Spontaneous Down Conversion (SPDC) im Kristall erzeugt polarisationsverschränkte Photonen im Sender- und Empfänger-Kanal. Bei höheren Pumpleistungen kann mit Paarraten bis zu 1 Mio/s gerechnet werden, was Voraussetzung für die effiziente Datenübertragung bei optischen Freistrahl-Links mit hoher Dämpfung ist.

Raumfahrttauglichkeit

Für das raumfahrttaugliche Design der verschränkten Photonenquelle wurde eine kompakte, präzisionsmechanische und thermomechanisch stabile Plattform entworfen, auf der in determinierten Montagealgorithmen Pump- und Signalstrahlengang der Quelle effektiv und sehr genau justiert werden können. Die Temperierung des nichtlinearen Kristalls erfolgt in der Plattform mit einer Homogenität von bis zu 0,1 K entlang der 30 mm langen optischen Achse des Kristalls. Um die sehr empfindlichen Justierzustände der optischen Komponenten dauerhaft und raumfahrttauglich zu fixieren, kamen spezielle Laserlöt- und Klebetechnologien zum Einsatz. Die Quelle wurde einem typischen Testprogramm für Raumfahrt-Baugruppen unterzogen in Bezug auf thermische und mechanische Belastung sowie Thermalvakuum und auch nach diesen Tests positiv bezüglich der quantenoptischen Parameter evaluiert.

Im Ergebnis der Entwicklungsarbeiten ist geplant, die Quelle weiterzuentwickeln und in einer Satelliten-Mission zur Demonstration eines optischen QKD-Links einzusetzen.

Autoren: Erik Beckert, Oliver deVries, Christoph Damm