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

In de verborgen wereld van kwantumcommunicatie rust de beveiliging op een fundamenteel principe: onvoorspelbaarheid. Stel je twee mensen voor die proberen een geheime code te delen. Om ervoor te zorgen dat niemand anders deze kan raden, moeten de signalen die zij verzenden werkelijk willekeurig zijn, niet alleen schijnbaar willekeurig, maar voortgekomen uit de chaotische aard van het universum zelf. Een van de meest veelbelovende manieren om deze signalen te creëren, is door lasers te gebruiken die ongelooflijk snel aan- en uitflitsen. Wanneer een laser wordt uitgeschakeld en vervolgens weer wordt ingeschakeld, zou het licht dat het produceert een volledig willekeurige "fase" moeten hebben, wat in essentie de timing van de pieken en dalen van de lichtgolf is. Als deze timing willekeurig is, is het signaal veilig. Echter, er is een addertje onder het gras. Als de laser te snel flitst, blijft het licht van de vorige flits in het apparaat hangen, als een geest die de volgende flits beïnvloedt. Dit overblijvende licht creëert een patroon, waardoor de signalen voorspelbaar worden en de beveiliging wordt doorbroken. Jarenlang heeft dit overblijvende effect wetenschappers gedwongen om hun laserflitsnelheden relatief laag te houden, wat de snelheid waarmee ze geheime berichten kunnen verzenden of willekeurige getallen kunnen genereren, beperkt.

Een team onderzoekers van Toshiba Europe Ltd en de University of Cambridge heeft een manier gevonden om deze snelheidslimiet te doorbreken. Ze ontdekten een methode om de laser te dwingen zijn verleden te vergeten, waardoor de laser kan flitsen met een snelheid van 10 miljard keer per seconde terwijl de perfecte willekeurigheid behouden blijft. Om dit te bereiken, hebben ze niet geprobeerd het overblijvende licht op te schonen; in plaats daarvan hebben ze de laser overspoeld met een verse, chaotische lichtbron van een extern apparaat. Door dit externe licht te injecteren, dat wordt gegenereerd door een speciaal type diode die licht uitsluitend door spontane, willekeurige processen uitzendt, hebben ze het geheugen van de laser overmeesterd. Dit externe licht fungeert als een nieuwe kiem voor elke enkele flits, wat ervoor zorgt dat elke puls begint met een volledig verse en onvoorspelbare fase. Het resultaat is een laser die kan werken op snelheden die voorheen als onmogelijk werden beschouwd voor veilige kwantumtoepassingen, waardoor de flessenhals die de snelle kwantumcommunicatie heeft tegengehouden, effectief is verwijderd.

Het team testte hun idee met een standaard laserdiode, een apparaat dat licht uitzendt wanneer er elektriciteit wordt toegepast. In een normale opstelling zouden ze de laser aan- en uitzetten om een reeks lichtpulsen te creëren. Wanneer ze deze laser draaiden op een matige snelheid van 1 miljard flitsen per seconde, werkte het systeem zoals verwacht. De lichtpulsen waren willekeurig en de timing tussen hen vertoonde geen enkele connectie met de vorige flits. Echter, wanneer ze de snelheid verhoogden naar 10 miljard flitsen per seconde, faalde het systeem. De pulsen begonnen elkaar te herinneren. Het licht van één flits was nog aanwezig toen de volgende begon, waardoor de nieuwe flits de timing van de oude kopieerde. Dit creëerde een sterke link tussen de pulsen, wat de willekeurigheid die nodig is voor beveiliging vernietigde. Bij deze hoge snelheid genereerde de laser niet langer onafhankelijke signalen; het herhaalde slechts een patroon, waardoor het onbruikbaar werd voor veilige communicatie.

Om dit op te lossen, introduceerde het team een tweede lichtbron: een superluminescente diode. Dit apparaat is vergelijkbaar met een laser, maar is ontworpen om licht uit te zenden dat helder en richtinggevoelig is, maar volledig willekeurig in zijn timing, vergelijkbaar met een gloeilamp die helderder en gerichter is. Ze richtten dit willekeurige licht in de holte van de hoofdlaser. Het effect was onmiddellijk en spectaculair. Zodra het willekeurige licht de laser binnenging, verdween de verbinding tussen de pulsen. Zelfs bij 10 miljard flitsen per seconde werd elke nieuwe puls geboren uit de chaotische ruis van het geïnjecteerde licht in plaats van uit de geest van de vorige. De onderzoekers maten de intensiteit van het uitgaande licht en vonden dat dit een specifieke statistische verdeling volgde, bekend als een arcsine-verdeling, wat de vingerafdruk is van ware willekeurigheid. Zonder de externe injectie was het patroon vlak en voorspelbaar; met de injectie keerde het chaotische patroon terug dat vereist is voor beveiliging.

Het team bekeek ook het kleurenspectrum van het licht om te begrijpen wat er binnenin de laser gebeurde. Wanneer de laser te snel draaide zonder hulp, vertoonde het licht een reeks scherpe, duidelijke lijnen, als de tanden van een kam. Deze lijnen gaven aan dat de pulsen perfect gesynchroniseerd waren en een patroon herhaalden. Wanneer ze het externe willekeurige licht toevoegden, verdwenen deze scherpe lijnen. Het spectrum werd een gladde, continue curve, wat aantoonde dat de pulsen niet langer aan elkaar gekoppeld waren. Het externe licht had de timing van de laser succesvol verstoord, waardoor het proces waarbij de fase van het licht willekeurig wordt, werd versneld. Dit stelde de laser in staat om volledig te resetten tussen de flitsen, zelfs wanneer de tijd tussen de flitsen extreem kort was.

Een punt van zorg bij het toevoegen van extra licht is dat het de timing van de pulsen te onstabiel zou kunnen maken. De onderzoekers maten deze "jitter", of de lichte variatie in wanneer elke puls arriveert. Ze ontdekten dat naarmate ze de hoeveelheid geïnjecteerd licht verhoogden, de jitter ook toenam, van 4,4 picoseconden naar 21,9 picoseconden op het hoogste injectieniveau. Ze stelden echter vast dat dit niveau van instabiliteit acceptabel was. De pulsen overlapten nog steeds genoeg om correct gemeten te kunnen worden, en de willekeurigheid bleef behouden. De afweging was het waard: een iets minder precieze timing was een kleine prijs voor het herstellen van de essentiële willekeurigheid die het systeem veilig maakt. Het team berekende dat deze nieuwe methode theoretisch willekeurige getallen kan genereren met een snelheid die de 40 miljard bits per seconde overstijgt, een enorme sprong ten opzichte van de huidige mogelijkheden.

Deze doorbraak pakt een grote hindernis aan in de ontwikkeling van kwantumtechnologieën. Momenteel wordt de snelheid van kwantum sleuteldistributiesystemen beperkt door hoe snel de laser kan schakelen zonder de willekeurigheid te verliezen. Door dit probleem op te lossen, hebben de onderzoekers de deur geopend naar veel snellere communicatienetwerken. Hoewel de laser zelf nu kan flitsen met 10 miljard keer per seconde, moet de rest van het systeem, met name de detectoren die het licht opvangen, nog bijtrekken om deze snelheid volledig te benutten. Desalniettemin is het vermogen om veilige, willekeurige signalen met zulke hoge snelheden te genereren een belangrijke stap voorwaarts. Het suggereert dat toekomstige kwantumnetwerken kunnen opereren op snelheden die vergelijkbaar zijn met die van het huidige snelle internet, waardoor de belofte van onkraakbare communicatie dichter bij de realiteit komt. De methode is eenvoudig en robuust, en vertrouwt op de fundamentele fysica van het licht om de beperkingen van snelheid te overwinnen, wat bewijst dat de beste manier om vooruit te gaan soms is om een beetje gecontroleerde chaos te introduceren.