Scheibenlaser für das Quanteninternet

Quantencomputer vernetzen und ihre Leistungsfähigkeit erhöhen, Kommunikationskanäle abhörsicher verschlüsseln oder Atomuhren synchronisieren: Das Quanteninternet verspricht signifikante Verbesserungen in verschiedenen technologischen Schlüsselbereichen. Um das Quanteninternet im bestehenden Glaserfasernetz zu realisieren, sind jedoch Quantenfrequenzkonverter nötig, die die Wellenlänge von Photonen an das Telekomband (1550 nm) anpassen können. Das Fraunhofer IAF hat einmodige GaSb-Scheibenlaser mit Bestwert-Ausgangsleistungen von bis zu 2,4 W entwickelt, die als rauscharme Pumpquelle Quantenfrequenzkonversion ermöglichen.

Weltweit schreitet der Glasfaserausbau voran, wodurch nicht nur die Bandbreite herkömmlicher Internetanschlüsse steigt, sondern auch die Realisierung eines globalen Quanteninternets näher rückt. Das Quanteninternet kann dazu beitragen, das Potenzial bestimmter Technologien voll auszuschöpfen. Dazu gehören wesentlich leistungsstärkeres Quantencomputing durch die Verknüpfung von Quantenprozessoren und -registern, sicherere Kommunikation durch Quantenschlüsselverteilung oder präzisere Zeitmessungen durch die Synchronisierung von Atomuhren.

Eine Hürde auf dem Weg bilden indes die Differenzen zwischen dem Glaserfaserstandard von 1550 nm und den Systemwellenlängen der verschiedenen, bisher realisierten Quantenbits (Qubits), die meist im sichtbaren oder nahinfraroten Spektralbereich liegen. Überwinden wollen Forscher diese Hürden mithilfe der Quantenfrequenzkonversion, die Frequenzen von Photonen gezielt verändern können und dabei alle anderen Quanteneigenschaften erhalten. Dadurch ist eine Umwandlung in den 1550-nm-Telekombereich für die verlustarme, langreichweitige Übertragung der Quantenzustände möglich.

In dem vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Verbundprojekt „HiFi – Hochintegrierter Quantenfrequenzkonverter höchster Fidelität auf Basis innovativer Laser-, Faser- und Produktionstechnologie“ arbeiten Forscher deshalb an der Realisierung aller nötigen Technologien, um Quantenfrequenzkonverter (QFK) mit hoher Effizienz und geringem Rauschen für erste Teststrecken zur Verfügung zu stellen. Das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF hat mit der erfolgreichen Entwicklung von Scheibenlasern (auch: vertical-external-cavity surface-emitting-laser, VECSEL) auf Basis von Galliumantimonid (GaSb) zum Projekt beigetragen. Es handelt sich um optisch gepumpte, oberflächenemittierende Halbleiterlaser mit externem Resonator und Intracavity-Filter für die Wellenlängenselektion.

„Die von uns im Rahmen von ‚HiFi‘ entwickelten Scheibenlaser sind spektral schmalbandige Pumpquellen, die je nach verwendeter Ausgangswellenlänge der Qubits gezielt eine Wellenlänge zwischen 1,9 und 2,5 µm abdecken und bei einer Stabilität der absoluten Wellenlänge von unter 2 fm bis zu 2,4 W Ausgangsleistung erreichen. Das entspricht einer Frequenzstabilität von unter 100 kHz und unterschreitet klar die Frequenzstabilitätsklasse 1E-9. Dieses Ergebnis stellt einen internationalen Bestwert für diese Laser-Art dar“, erklärt Marcel Rattunde, HiFi-Teilprojektkoordinator und Abteilungsleiter für Optoelektronik am Fraunhofer IAF.

„Ermöglicht hat das Ergebnis die enge Kooperation mit dem Projektpartner MENLO Systems GmbH. Gemeinsam haben wir den Scheibenlaser auf einen Frequenzkamm gelockt, der wiederum an eine 10-MHz-Referenz gekoppelt war“, betont Rattunde. Bei ihren Versuchen haben die Forscher die Emissionswellenlänge exakt auf die Zielwellenlänge für Demonstrationsexperimente an der Faserstrecke der Universität des Saarlandes eingestellt (2062,40 nm), an die das Fraunhofer IAF das Lasermodul mittlerweile übergeben hat. Neben der Leistungsskalierung bilden das genaue Verständnis des Modenverhaltens der Laser sowie die Identifizierung und Elimination der Rauschquellen die wichtigsten Forschungsaufgaben des Fraunhofer IAF im HiFi-Projekt.

Bei der Quantenfrequenzkonversion wird durch einen Differenzfrequenzprozess in einem nichtlinearen optischen Kristall die Energie des Pumpphotons vom Signalphoton abgezogen. Um einen rauscharmen Prozess zu gewährleisten, muss dabei die Energie der Pumpphotonen unterhalb der Zielwellenlänge (meist 1550 nm) liegen, da sonst der Pumplaser durch parasitäre Effekte Photonen im Ausgangssignal erzeugen kann.

Die am Fraunhofer IAF entwickelten Scheibenlaser erfüllen in Kombination mit dem Frequenzkamm von MENLO die hohen Anforderungen der Quantenfrequenzkonversion, da ihre Schmalbandigkeit und Wellenlängenstabilität Fluktuationen der Pumpwellenlänge und folglich Veränderungen der Zielwellenlänge der Qubits verhindern. Bei einer Abweichung oberhalb der natürlichen Linienbreite wäre die Ununterscheidbarkeit der Qubits nicht mehr gegeben, wodurch eine Grundvoraussetzung für die nachfolgende quantenmechanische Verarbeitung wegfiele.

Fh.-IAF / DE