08.01.2015
Photonenzahl-auflösende Detektoren (PNRD) spielen in der Quantenkryptographie (QKD) eine zunehmend bedeutendere Rolle. Dies ist darauf zurückzuführen, dass heutzutage vornehmlich abgeschwächte gepulste Laser als Transmitter in QKD-Systemen verwendet werden. Für die Beurteilung der Sicherheit dieser modernen Kommunikationssysteme spielt die Kenntnis der mittleren Photonenzahl in den Laserpulsen eine große Rolle, da mehr als ein Photon pro Puls ein Abhören erlaubt. Neben der reinen Poisson-Statistik in diesen gepulsten Lasersystemen kann es aber auch weitere photonenstatistische Elemente, wie z. B. Einflüsse thermischer Strahlungskomponenten geben. Daher ist im Allgemeinen eine Gesamttomographie der Photonenzahlverteilung erforderlich. Schließlich kann ein PNRD als „normaler“ Detektor Verwendung finden, d.h. z. B. zur Bestimmung der Gesamtzahl der Photonen, die übertragen werden. Somit ist der PNRD ein Allrounddetektor für die Quantenkommunikation. Da erwartet wird, dass aufgrund der bereits ausentwickelten Komponenten die Quantenkommunikation in infraroten Spektralbereich Anwendung finden wird, wurde im Rahmen des europäischen EMRP-Forschungsprojektes Metrology for the industrial quantum communications“ (MICQ) ein PNRD auf Basis eines aus vier InGaAs-Single-Photon-Avalanche-Detektoren bestehenden Detektorbaums realisiert und charakterisiert, siehe Abbildung 1 und 2.
Zunächst wurde die Detektionseffizienz des IR-PNRD bestimmt. Diese wurde mittels eines Vergleichs mit einer kalibrierten Ge-Diode unter Verwendung in-situ kalibrierter Faserabschwächer bestimmt. Der PNRD wurde sowohl in passiver Konfiguration als auch mittels FPGA (Field Programmable Gate Array) –Programmierung betrieben. Die erreichte erweiterte Messunsicherheit betrug ≤ 2.3 %. Die Ergebnisse für die passive Verwendung des IR-PNRD sind in Abbildung 3 dargestellt.
Mithilfe des IR-PNRD wurde die mittlere Photonenzahl pro emittierten Laserpuls mit einer Standardmessunsicherheit von unter 2,5 % gemessen, was damit den bisherigen Anforderungen für Quantenkryptographiesysteme genügt.
Letztlich wurde mittels des IR-PNRD nicht nur die mittlere Photonenzahl, sondern auch die Photonenzahlverteilung bestimmt, d.h. eine Zustandstomographie und ‑rekonstruktion durchgeführt. Die Rekonstruktion für mittlere Photonenzahlen N ≤ 40 ergab eine sehr gute Übereinstimmung mit der theoretisch zu erwartenden Poisson-Verteilung, die mittlere quadratische Abweichung war kleiner als 1,7 %. Ein Beispiel ist in Abbildung 4 gezeigt.
Abbildung 1: Schematischer Messaufbau für die Kalibrierung der Detektionseffizienz eines Photonenzahl-auflösenden Detektors (PNRD) bei einer Wellenlänge von 1550 nm.
Abbildung 2: Messaufbau für die Kalibrierung der Detektionseffizienz eines Photonenzahl-auflösenden Detektors bei 1550 nm.
Abbildung 3: Detektioneffizienz (linke Achse, blau) eines Photonenzahl-auflösenden Detektors (PNRD) als Funktion der Zählrate des PNRD und die dazugehörige mittlere Photonenzahl <n> (rechte Achse, rot).
Abbildung 4: Rekonstruktion der Photonenzahlverteilungen eines Laserfeldes mittels PNRD. Die Punkte stellen die Ergebnisse der experimentellen Rekonstruktion dar, die durchgezogenen Linien die theoretisch zu erwartenden Photonenzahlverteilungen (Poisson-Verteilung einer gepulsten Laserstrahlung). Q[k,N] gibt die Wahrscheinlichkeit an, bei einem Detektorbaum aus 4 Detektoren k-Klicks bei N einfallenden Photonen zu erhalten. Schwarz = Q[0,N], Blau = Q[1,N], Grün = Q[2,N], Rot = Q[3,N] und Violett = Q[4,N].