Stuttgart draait verstrengelingsgebaseerde QKD vanuit een quantum dot over campusglasvezel

Een door Stuttgart geleid team genereerde 14,2 Mbit veilige sleutel over 1,59 km campusglasvezel met verstrengelde fotonen uit een quantum dot, omgezet naar de telecomband.

Deze pagina is vertaald vanuit het Engels. Bedrijfs- en productnamen en bronlinks zijn ongewijzigd. Lees het origineel in het Engels

Een team onder leiding van de Universiteit Stuttgart heeft verstrengelingsgebaseerde quantumsleuteldistributie (QKD) uitgevoerd over een aangelegde glasvezelverbinding met fotonen uit een halfgeleider-quantum dot, in plaats van de verzwakte lasers of niet-lineaire kristallen waarop de meeste veldsystemen draaien. In een preprint met de titel Deployed entanglement-based BBM92 quantum key distribution using frequency-converted photons emitted by a quantum dot, gepubliceerd op 27 oktober, melden de 17 auteurs een veilige sleutelsnelheid van 206 Hz die 19 uur lang werd volgehouden over de campus Stuttgart-Vaihingen.

Wat er is aangekondigd

Volgens de samenvatting besloeg de verbinding 1,59 km in het veld aangelegde glasvezel en leverde ze in totaal 14,2 Mbit veilige sleutel op, waarmee het team een kleurenafbeelding versleutelde en ontsleutelde. Quantum Computing Report meldt dat ook de Universiteit van Saarland en het Leibniz IFW Dresden meewerkten, en omschrijft de beeldversleuteling als een one-time pad.

De technische details

De bron is een met druppels geëtste (droplet-etched) galliumarsenide-quantum dot die polarisatieverstrengelde fotonparen rond 780 nm uitzendt en met een snelheid van 1 GHz wordt aangeslagen. Omdat die golflengte zich slecht voortplant in standaard telecomglasvezel, verschoof het team met quantumfrequentieconversie één foton van elk paar naar het telecombereik, met behoud van de polarisatieverstrengeling. Volgens QCR bracht een Sagnac-converter met tot 50% interne efficiëntie de fotonen van 779,8 nm naar 1515 nm.

Andere cijfers die QCR noemt:

een fideliteit van 91,4% ten opzichte van de beoogde Bell-toestand, binnen een coïncidentievenster van 275 picoseconden;
een totaal verlies van 1,09 dB op de glasvezelverbinding, die een lab verbindt met een ontvangerrack elders op de campus, met gemotoriseerde polarisatievolging;
een ruwe sleutelsnelheid van 504 Hz en een veilige snelheid van 206 Hz, bij een gemiddelde quantumbitfoutfractie van 4,70%, onder de grens van 11% van het BBM92-protocol;
foutcorrectie met LDPC-blokken van 5.000 bits en privacyversterking via Toeplitz-hashing.

QCR meldt dat uurlijkse polarisatiecontroles met gemotoriseerde golfplaten de verbinding gedurende de 19 uur stabiel hielden; kleine dalingen in doorvoer werden toegeschreven aan thermische drift in een smalbandig filter.

Waarom het ertoe doet

Quantum dots kunnen fotonen op afroep uitzenden, waardoor ze een fundamentele afweging van laser- en kristalbronnen tussen helderheid en ongewenste multifotonemissies vermijden. Hun nadeel was de golflengte. Volgens de auteurs laat het experiment zien dat een heldere bron van verstrengelde fotonen op hoge snelheid, een efficiënte frequentieconverter en tijdsynchronisatie op picosecondeniveau samen kunnen werken in een echt aangelegd netwerk, een stap richting hybride quantumnetwerken.

Waar je op moet letten

De resultaten zijn een preprint en nog niet door vakgenoten beoordeeld. De afstand is op campusschaal. De volgende vragen zijn of de aanpak standhoudt over stedelijke afstanden en in netwerken met meerdere knooppunten, en of de veilige sleutelsnelheden stijgen naarmate bron en converter efficiënter worden.