Deutsche Wissenschaftler haben einen neuen Weg geschaffen, um Infrarot-Einzelphotonen auf Siliziumbasis zu erzeugen. Die Quelle erzeugt bis zu 100.000 Photonen pro Sekunde. Der Ansatz könnte die Quantenkryptographie mit gängigen Halbleitertechnologien kombinieren.
Die Quantenschlüsselverteilung wird verwendet, um die Datensicherheit zu gewährleisten. Der Kern der Methode besteht darin, einen gemeinsamen geheimen Verschlüsselungsschlüssel für zwei Remotebenutzer zu generieren, der nur einen offenen Kommunikationskanal verwendet. Die Methode basiert auf den Gesetzen der Quantenmechanik. Es kann immer ein Dritter gefunden werden, der versucht, den Schlüssel zu entschlüsseln. Der eigentliche Prozess der Messung eines Quantenzustands führt zu Anomalien - Quantenindeterminismus. In diesem Fall wird der Schlüssel nur dann erfolgreich generiert, wenn die Anomalien den angegebenen Schwellenwert nicht überschreiten.
Die Übertragungsprotokolle der Quantenkryptographie basieren auf der Übertragung einzelner Photonen. Photonen sind Lichtquanten in Form von transversalen elektromagnetischen Wellen. Das Einzelphotonensystem gewährleistet die Sicherheit der Methode. Wenn es mehrere Photonen gibt, können sie abgefangen werden und der Schlüssel kann auf die gleiche Weise gefunden werden, wie es Benutzern erlaubt ist. Aber es gibt Funktionenan Quellen einzelner Photonen. Trotz der erzielten Fortschritte werden bei ihrer Erzeugung schwache Laserpulse verwendet. Ein weiteres grundlegendes Problem ist das Rauschen. Lichtwellenleiter erwärmen sich aufgrund der Transmission einzelner Photonen unterschiedlich und können daher gebogen werden. Aufgrund dieser Einschränkungen gibt es jetzt Grenzen für die Bandbreite der Quantenkommunikation. Ein Standardkabel überträgt 1,26 Megabit pro Sekunde über eine Entfernung von 50 km. Und 1,16 Bit pro Stunde für eine Entfernung von 404 km über ein spezielles Kabel mit extrem geringem Datenverlust.
Die Physikquelle der Technischen Universität Dresden unter der Leitung von Michael Hollenbach und Wissenschaftler des Helmholtz-Zentrums Dresden-Rossendorf haben ein System von Einzelphotonenquellen auf der Basis von SOI-Wafern aus Silizium entwickelt. Siliziumchips sind das Herzstück aller modernen Geräte, einschließlich Prozessoren und Mikrocontroller. Mikroschaltungen bestehen in der Regel aus monokristallinem Silizium.
Mit einem Beschleuniger platzierten deutsche Wissenschaftler Kohlenstoffatome in Silizium. Zwei benachbarte C-Atome bildeten zusammen mit dem Siliziumatom Si ein separates Molekül, das als G-Zentrum bezeichnet wird. Das G-Zentrum emittiert Photonen unter einem fokussierten 1,3-Mikron-Laser. Photonen dieses Typs breiten sich ohne Hindernisse entlang der optischen Faser aus.
Ein von deutschen Physikern erstellter Prototypgenerator kann etwa 100.000 Einzelphotonen erzeugen. Alle wissenschaftlichen Tests wurden an einer SOI-Platte durchgeführt, die in einem Attocube 800-Kryostaten mit geschlossenem Regelkreis installiert war, der eine Basistemperatur von 4,6 K lieferte.
Die Autoren der Studie berichten, dass sie als erste die Machbarkeit der Platzierung von Einzelphotonenemittern in industriellen SOI-Platten demonstrierten. Sie stellten auch das Konzept der Implementierung einer photonischen Plattform vor, die mit modernen Siliziumtechnologien kompatibel ist.
Die Entdeckung wird dazu beitragen, Quantenprozessoren und Repeater mithilfe von Siliziumkomponenten in bestehende Systeme zu integrieren.
Die Forschungsergebnisse werden in der Zeitschrift Optis Express veröffentlicht .
