Stuttgart betreibt verschränkungsbasierte QKD mit einem Quantenpunkt über verlegte Campus-Glasfaser

Ein Stuttgarter Team erzeugte 14,2 Mbit sicheren Schlüssel über 1,59 km Campus-Glasfaser mit verschränkten Photonen aus einem Quantenpunkt, umgesetzt ins Telekom-Band.

Diese Seite wurde aus dem Englischen übersetzt. Unternehmens- und Produktnamen sowie Quellenlinks bleiben unverändert. Original auf Englisch lesen

Ein Team unter Leitung der Universität Stuttgart hat verschränkungsbasierte Quantenschlüsselverteilung (QKD) über eine verlegte Glasfaserstrecke betrieben – mit Photonen aus einem Halbleiter-Quantenpunkt statt mit abgeschwächten Lasern oder nichtlinearen Kristallen, auf die die meisten Feldsysteme setzen. In einem Preprint mit dem Titel Deployed entanglement-based BBM92 quantum key distribution using frequency-converted photons emitted by a quantum dot, veröffentlicht am 27. Oktober, berichten die 17 Autorinnen und Autoren von einer sicheren Schlüsselrate von 206 Hz, die 19 Stunden lang über den Campus Stuttgart-Vaihingen gehalten wurde.

Was angekündigt wurde

Laut Abstract umfasste die Strecke 1,59 km im Feld verlegte Glasfaser und lieferte insgesamt 14,2 Mbit sicheren Schlüssel, mit dem das Team ein Farbbild ver- und entschlüsselte. Quantum Computing Report zufolge waren auch die Universität des Saarlandes und das Leibniz IFW Dresden beteiligt; die Bildverschlüsselung beschreibt QCR als One-Time-Pad.

Die technischen Details

Die Quelle ist ein tropfengeätzter (droplet-etched) Galliumarsenid-Quantenpunkt, der polarisationsverschränkte Photonenpaare um 780 nm emittiert und mit einer Rate von 1 GHz angeregt wird. Da sich diese Wellenlänge in Standard-Telekomfasern schlecht ausbreitet, verschob das Team per Quantenfrequenzkonversion jeweils ein Photon jedes Paares in den Telekombereich und erhielt dabei die Polarisationsverschränkung. Laut QCR wandelte ein Sagnac-Konverter mit bis zu 50 % interner Effizienz die Photonen von 779,8 nm auf 1515 nm um.

Weitere von QCR berichtete Werte:

eine Fidelity von 91,4 % zum Ziel-Bell-Zustand innerhalb eines Koinzidenzfensters von 275 Pikosekunden;
ein Gesamtverlust von 1,09 dB auf der Glasfaserstrecke, die ein Labor mit einem Empfänger-Rack an anderer Stelle des Campus verbindet, mit motorisierter Polarisationsnachführung;
eine Rohschlüsselrate von 504 Hz und eine sichere Rate von 206 Hz bei einer mittleren Quantenbitfehlerrate von 4,70 %, unterhalb der 11-%-Grenze des BBM92-Protokolls;
Fehlerkorrektur mit LDPC-Blöcken von 5.000 Bit und Privacy Amplification per Toeplitz-Hashing.

QCR zufolge hielten stündliche Polarisationsprüfungen mit motorisierten Wellenplatten die Strecke über die 19 Stunden stabil; kleine Durchsatzeinbrüche gingen auf thermische Drift eines schmalbandigen Filters zurück.

Warum das wichtig ist

Quantenpunkte können Photonen auf Abruf emittieren und umgehen damit einen grundsätzlichen Zielkonflikt laser- und kristallbasierter Quellen zwischen Helligkeit und unerwünschten Mehrphotonen-Emissionen. Ihr Nachteil war bisher die Wellenlänge. Die Autoren sehen in dem Experiment den Nachweis, dass eine helle, mit hoher Rate betriebene Quelle verschränkter Photonen, ein effizienter Frequenzkonverter und Zeitsynchronisation im Pikosekundenbereich in einem realen, verlegten Netz zusammenwirken können – ein Schritt hin zu hybriden Quantennetzen.

Worauf zu achten ist

Die Ergebnisse sind ein Preprint und noch nicht begutachtet. Die Entfernung bewegt sich im Campusmaßstab. Offen ist, ob der Ansatz über Stadtdistanzen und in Netzen mit mehreren Knoten trägt und ob die sicheren Schlüsselraten steigen, wenn Quelle und Konverter effizienter werden.