Phase-Randomized Laser Pulse Generation at 10 GHz for Quantum Photonic Applications

In der verborgenen Welt der Quantenkommunikation beruht Sicherheit auf einem grundlegenden Prinzip: Unvorhersehbarkeit. Stellen Sie sich zwei Personen vor, die versuchen, einen geheimen Code zu teilen. Um sicherzustellen, dass niemand sonst ihn erraten kann, müssen die Signale, die sie senden, wirklich zufällig sein – nicht nur scheinbar zufällig, sondern aus der chaotischen Natur des Universums selbst geboren. Eine der vielversprechendsten Möglichkeiten, diese Signale zu erzeugen, ist die Verwendung von Lasern, die unglaublich schnell an- und ausgeschaltet werden. Wenn ein Laser ausgeschaltet und dann wieder eingeschaltet wird, sollte das Licht, das er erzeugt, eine völlig zufällige „Phase“ haben, was im Wesentlichen das Timing der Wellenberge und -täler des Lichts beschreibt. Wenn dieses Timing zufällig ist, ist das Signal sicher. Es gibt jedoch einen Haken. Wenn der Laser zu schnell blitzt, verweilt das Licht des vorherigen Blitzes im Gerät und wirkt wie ein Geist, der den nächsten Blitz beeinflusst. Dieses nachwirkende Licht erzeugt ein Muster, das die Signale vorhersagbar macht und die Sicherheit untergräbt. Jahrelang hat dieser Nachwirkungseffekt die Wissenschaftler dazu gezwungen, die Blitzraten ihrer Laser relativ langsam zu halten, was die Geschwindigkeit begrenzt, mit der sie geheime Nachrichten senden oder Zufallszahlen generieren können.

Ein Forschungsteam von Toshiba Europe Ltd und der University of Cambridge hat einen Weg gefunden, dieses Geschwindigkeitslimit zu durchbrechen. Sie entdeckten eine Methode, um den Laser zu zwingen, seine Vergangenheit zu vergessen, sodass er mit einer Rate von 10 Milliarden Mal pro Sekunde blitzen kann und dabei dennoch perfekte Zufälligkeit beibehält. Um dies zu erreichen, versuchten sie nicht, das nachwirkende Licht zu entfernen; stattdessen überfluteten sie den Laser mit einer frischen, chaotischen Lichtquelle aus einem externen Gerät. Durch die Injektion dieses externen Lichts, das von einer speziellen Art von Diode erzeugt wird, die Licht rein durch spontane, zufällige Prozesse emittiert, überwältigten sie das Gedächtnis des Lasers. Dieses externe Licht fungiert als neuer Keim für jeden einzelnen Blitz und stellt sicher, dass jeder Puls mit einer völlig frischen und unvorhersehbaren Phase beginnt. Das Ergebnis ist ein Laser, der mit Geschwindigkeiten arbeiten kann, die für sichere Quantenanwendungen zuvor als unmöglich galten, wodurch der Engpass beseitigt wird, der die Hochgeschwindigkeits-Quantenkommunikation bisher gebremst hat.

Die Forscher testeten ihre Idee mit einer Standard-Laserdiode, einem Gerät, das Licht emittiert, wenn Elektrizität angelegt wird. In einem normalen Aufbau würden sie den Laser an- und ausschalten, um eine Kette von Lichtpulsen zu erzeugen. Als sie diesen Laser mit einer moderaten Geschwindigkeit von 1 Milliarde Blitzen pro Sekunde betrieben, funktionierte das System wie erwartet. Die Lichtpulse waren zufällig, und das Timing zwischen ihnen zeigte keine Verbindung zum vorherigen Blitz. Als sie die Geschwindigkeit jedoch auf 10 Milliarden Blitze pro Sekunde erhöhten, versagte das System. Die Pulse begannen sich aneinander zu erinnern. Das Licht eines Blitzes war noch vorhanden, als der nächste begann, was dazu führte, dass der neue Blitz das Timing des alten kopierte. Dies erzeugte eine starke Verbindung zwischen den Pulsen und zerstörte die für die Sicherheit erforderliche Zufälligkeit. Bei dieser hohen Geschwindigkeit erzeugte der Laser keine unabhängigen Signale mehr, sondern wiederholte lediglich ein Muster, was ihn für die sichere Kommunikation unbrauchbar machte.

Um dies zu beheben, führte das Team eine zweite Lichtquelle ein: eine superlumineszente Diode. Dieses Gerät ist ähnlich wie ein Laser, ist aber darauf ausgelegt, Licht zu emittieren, das hell und gerichtet, aber völlig zufällig in seinem Timing ist – vergleichbar mit einer Glühbirne, die heller und fokussierter ist. Sie richteten dieses zufällige Licht in den Resonator des Hauptlasers. Der Effekt war unmittelbar und dramatisch. Sobald das zufällige Licht in den Laser eintrat, verschwand die Verbindung zwischen den Pulsen. Selbst bei 10 Milliarden Blitzen pro Sekunde wurde jeder neue Puls aus dem chaotischen Rauschen des injizierten Lichts geboren und nicht aus dem Geist des vorherigen Blitzes. Die Forscher maßen die Intensität des austretenden Lichts und fanden, dass es einer spezifischen statistischen Verteilung folgt, die als Arcsinus-Verteilung bekannt ist – der Fingerabdruck echter Zufälligkeit. Ohne die externe Injektion war das Muster flach und vorhersagbar; mit ihr kehrte das chaotische Muster zurück, das für die Sicherheit erforderlich ist.

Das Team untersuchte auch das Farbspektrum des Lichts, um zu verstehen, was im Inneren des Lasers geschah. Wenn der Laser zu schnell ohne Hilfe lief, zeigte das Licht eine Reihe scharfer, deutlicher Linien, ähnlich den Zähnen eines Kamms. Diese Linien deuteten darauf hin, dass die Pulse perfekt synchronisiert waren und ein Muster wiederholten. Als sie das externe Zufallslicht hinzufügten, verschwanden diese scharfen Linien. Das Spektrum wurde zu einer glatten, kontinuierlichen Kurve, was zeigte, dass die Pulse nicht mehr miteinander gekoppelt waren. Das externe Licht hatte das Timing des Lasers erfolgreich gestört und den Prozess beschleunigt, durch den die Phase des Lichts zufällig wird. Dies ermöglichte es dem Laser, sich zwischen den Blitzen vollständig zurückzusetzen, selbst wenn die Zeit zwischen den Blitzen extrem kurz war.

Eine Sorge beim Hinzufügen von zusätzlichem Licht war, dass das Timing der Pulse zu instabil werden könnte. Die Forscher maßen dieses „Jitter“ (das Zittern), also die leichte Variation in dem Zeitpunkt, an dem jeder Puls eintrifft. Sie fanden heraus, dass das Jitter mit zunehmender Menge des injizierten Lichts zwar anstieg – von 4,4 Pikosekunden auf 21,9 Pikosekunden beim höchsten Injektionsniveau –, sie jedoch entschieden, dass diese Instabilität akzeptabel sei. Die Pulse überlappten sich immer noch ausreichend, um korrekt gemessen werden zu können, und die Zufälligkeit blieb erhalten. Der Kompromiss war es wert: Ein etwas weniger präzises Timing war ein kleiner Preis für die Wiederherstellung der essenziellen Zufälligkeit, die das System sicher macht. Das Team berechnete, dass diese neue Methode theoretisch Zufallszahlen mit einer Rate von über 40 Milliarden Bits pro Sekunde generieren könnte, was ein massiver Sprung gegenüber den derzeitigen Möglichkeiten ist.

Dieser Durchbruch adressiert eine große Hürde bei der Entwicklung von Quantentechnologien. Derzeit wird die Geschwindigkeit von Quantenschlüsselaustausch-Systemen dadurch begrenzt, wie schnell der Laser geschaltet werden kann, ohne seine Zufälligkeit zu verlieren. Durch die Lösung dieses Problems haben die Forscher die Tür zu wesentlich schnelleren Kommunikationsnetzwerken geöffnet. Obwohl der Laser selbst nun mit 10 Milliarden Mal pro Sekunde blitzen kann, muss der Rest des Systems, insbesondere die Detektoren, die das Licht auffangen, noch aufholen, um diese Geschwindigkeit voll auszuschöpfen. Dennoch ist die Fähigkeit, sichere, zufällige Signale mit solch hohen Raten zu erzeugen, ein bedeutender Schritt nach vorn. Es deutet darauf hin, dass zukünftige Quantennetzwerke mit Geschwindigkeiten vergleichbar mit dem heutigen Hochgeschwindigkeitsinternet arbeiten könnten, was das Versprechen unhackbarer Kommunikation näher zur Realität bringt. Die Methode ist einfach und robust und nutzt die fundamentale Physik des Lichts, um die Grenzen der Geschwindigkeit zu überwinden, was beweist, dass der beste Weg nach vorne manchmal darin besteht, ein wenig kontrolliertes Chaos einzuführen.