Blick ins Teleskop­system zur Quanten­kommunikation

Experten des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik in Jena haben eine neue satellitengestützte Quelle für verschränkte Photonen entwickelt. Solche verbundenen oder »verschränkten« Photonen kommen bei sicheren Verschlüsselungstechnologien zum Einsatz. Von der Photonenquelle aus werden über Faserleitungen oder den freien Raum eine Reihe von Photonen an einen oder zwei Empfänger versendet. Nachdem diese umgewandelt wurden, dienen die Photonen als Schlüssel zur Kodierung der ursprünglichen Nachricht. Diesen Vorgang nennt man Quanten-Schlüssel-Verteilung (QKD). Die QKD-Technologie wird Teil einer neuen Generation weltraumgestützter Lasersysteme sein, die eine sicherere und schnellere Kommunikation zwischen Satelliten sowie zwischen Satelliten und Bodenstationen ermöglicht. Experts from the Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF in Jena, developed a new satellite-based source for entangled photons. Twinned or »entangled« photons can be used for secure encryption. A quantum photon source may send a series of photons to one or two receivers through fibers or free space, and after some processing, the series may serve as a key for the encryption of the actual message. This is called quantum key distribution (QKD). QKD technology will be part of a new generation of space-based laser systems that will allow faster and more secure communication among satellites and between satellites and ground stations. Stable sources for polarization or wavelength entangled photons - Applicable to quantum imaging | quantum key distribution (QKD) - Suitable for harsh environments (vacuum, space) - Providing key parameters (brightness, efficiency, visibility) Polarization-entangled photon source - Based on a Sagnac-interferometer - Spontaneous parametric down-conversion - Bulk periodically poled potassium titanyl phosphate crystal - Visibility: > 98 % - Pumping power: ca. 5 mW - Entangled photon pairs per second: > 300.000

Quelle für verschränkte Photonenpaare zur satellitengestützten Quantenkommunikation

Technologien für Quantenkommunikation

Hybride Quantenkommunikation über Freistrahl und Faserverbindung

Vollständiges Teleskopsystem.
© Fraunhofer IOF
Teleskopsystem für die Quantenkommunikation.
Blick in das goldene Teleskopsystem.
© Fraunhofer IOF
Blick ins Teleskopsystem ohne abschattenden Fangspiegel.

Die Quantenkommunikation ermöglicht den abhörsicheren Austausch von Schlüsseln für das Kodieren sicherheitsrelevanter Information. Im Gegensatz zu algorithmischen Kryptographieverfahren, deren Sicherheit durch den mit einer Entschlüsselung verbundenen Rechenaufwand gewährt wird, basiert die Sicherheit dabei auf physikalischen Prinzipien, wie etwa der Quantenverschränkung oder dem Superpositionsprinzip.

 

Langfristige Datensicherheit

Das Fraunhofer IOF entwickelt gemeinsam mit Partnern aus Industrie und Wirtschaft im Rahmen der QuNET-Initiative die physikalisch-technischen Grundlagen von Quantenkommunikationssystemen und optischer Linktechnologien für den Einsatz in realer Infrastruktur – zielgerichtet für die Anwendung in Hochsicherheitsnetzen. Forschungs- und Entwicklungsbeiträge des Fraunhofer IOF werden dabei durch Expertise und Kompetenz entlang der gesamten quantenphotonischen Prozesskette getragen: Neben Komponenten und Schlüsseltechnologien werden dabei auch Gesamtsysteme für die Quantenkommunikation in realer Freistrahl- und Fasernetzinfrastruktur untersucht und demonstriert.

 

Experiment zur Quantenkommunikation

In der ersten Projektphase von QuNET wird ein Schlüsselexperiment an der Schnittstelle zwischen Quantenkanälen in unterschiedliche Wellenlängenbändern und Übertragungsmedien durchgeführt: eine erforderliche Entwicklung für die zukünftige Integration in eine heterogene Netzarchitektur. In einem Technologie-Demonstrator wird über einen optischen Freistrahllink eine sicherere Verbindung zwischen zwei Gebäuden und deren Anbindung an ein Glasfasernetz ermöglicht.

 

Aufbau

Elementare Bausteine des Demonstrators sind präzisionsoptische Spiegelteleskope für die optimierte Übertragung von polarisationskodierten Quantenzuständen, eine polarisationsverschränkte Photonenpaarquelle, sowie ein Detektionssystem für Photonpaarkorrelationsmessungen mit hoher Zeitauflösung. Die Teleskope sind jeweils mit einer aktiven Strahlnachführung ausgestattet und ermöglichen mit einer Apertur von 20 cm einen Freistrahllink. Die Verschränkungsquelle emittiert Photonen mit zwei Wellenlängen: 810 nm für verlustarme Freistrahllinks und 1550 nm für absorptionsarme Glasfaserübertragung. Das Detektionssystem erzeugt aus den Quantenzuständen schnelle Schlüsselaustauschraten. Mittels hoher Zeitauflösung und präziser Synchronisation im Pikosekunden-Bereich garantiert es eine abhörsichere Kommunikation zwischen den Endpunkten.

Die Sicherheit der Quantenkommunikation basiert in diesem Fall auf dem sogenannten BBM92-Protokoll für polarisationsverschränkte Photonen.

Autorenschaft: Daniel Rieländer, Fabian Steinlechner, Matthias Goy, Christopher Spiess, Andrej Krzic, Gregor Sauer, Sakshi Sharma, Sebastian Töpfer

Verschränkte Photonenquelle für die 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.

Graph zur Paarrate in Abhängigkeit der Kristalltemperatur
Paarrate erreicht bei homogener Kristalltemperatur von 35 °C.

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

 

Autorenschaft: Erik Beckert, Oliver deVries, Christoph Damm