Demonstration der ersten time-bin-kodierten QKD unter Nutzung einer Quantenpunkt-Einzelphotonenquelle:
Die Quantenschlüsselverteilung (engl. Quantum Key Distribution) gilt als der reifste Zweig der Quantenkryptographie und bietet unter klar definierten Annahmen informationstheoretische Sicherheit für künftige Quantennetze. Festkörper‑Quantenlichtquellen wie Halbleiterquantenpunkte stoßen auf großes Interesse, da sie nichtklassische Photonen hoher Qualität für die Quantenkommunikation erzeugen, höhere sichere Schlüsselraten ermöglichen und mit Quantenrepeatern kompatibel sind. Die Kodierung von Information im zeitlichen Freiheitsgrad photonischer Qubits, die sognenannte Time-Bin‑Kodierung, zeigt großes Potenzial für weiträumige Quantenkommunikation in praxisnahen Szenarien. Time-Bin‑Qubits sind inhärent robust gegenüber Umwelteinflüssen, die verlegte Glasfaserstrecken beeinträchtigen.
Einzelphotonen, die von einem in ein photonisches Bauelement eingebetteten Quantenpunkt emittiert werden, werden in eine Faser eingekoppelt und von “Alice” in drei unterschiedliche Zeit-Bin-Qubits kodiert. Nach der Entschlüsselung durch “Bob” wird eine Folge von Quantenschlüsseln zwischen den Nutzern ausgetauscht. Quelle: Light: Science & Applications (2026). DOI: 10.1038/s41377-026–02205‑9.
In einem Beitrag in Light: Science & Applications berichtet ein internationales Team deutscher und chinesischer Universitäten über die erste echte Demonstration von Time-Bin‑QKD mit einem deterministisch arbeitenden Halbleiter‑QD im Telekom‑Band. Drei verschiedene Time-Bin‑Qubit‑Zustände wurden mittels eines selbststabilisierten Encoders deterministisch erzeugt; Basis und Zustand wurden dabei zufällig gewählt. Der Encoder konvertierte polarisierte Einzelphotonen eines QDs im Telekom‑C‑Band in Time-Bin‑Zustände. Auf der Empfangsseite dekodierte ein aktiv stabilisiertes Interferometer mit Phasenschieber die Photonen und ermöglichte einen mehrstündigen Betrieb ohne manuelles Nachjustieren. Das System erreichte eine Übertragungsdistanz von mehr als 120 km über eine Glasfaserverbindung zwischen Encoder und Decoder und zeigte dabei über mehr als sechs Stunden eine hohe Stabilität.
Der Machbarkeitsnachweis erzielte die höchste sichere Schlüsselrate unter Time-Bin‑QKD‑Systemen mit leistungsfähigen QD‑Quellen. Die Quelle lieferte helle, hochreine Einzelphotonen bei einer Betriebsrate von rund 76 MHz. Das System hielt durchschnittliche Quantenbitfehlerraten (QBER) von unter 11 % bei 120 km Standard‑Glasfaser. Im praxisnahen Finite‑Key‑Regime blieb eine durchschnittliche sichere Schlüsselrate von etwa 15 Bit/s stabil – ausreichend etwa für die Verschlüsselung von Textnachrichten.
Erreichte sichere Schlüsselraten über große Entfernungen. Fehlerrate der Quantenbits und erreichbare Schlüsselraten über Glasfaserentfernungen. Die Ergebnisse zeigen eine maximal erreichbare Übertragungsentfernung von 127 km.
“Die meisten bestehenden QD‑basierten QKD‑Systeme reagieren empfindlich auf Kanaländerungen durch Umwelteinflüsse wie Turbulenzen, Temperatur oder Vibrationen und benötigen daher aktive Kompensation. Im Gegensatz dazu bietet die Time-Bin‑Kodierung, bei der Qubits in der zeitlichen Position einzelner Photonen kodiert werden, eine intrinsische Stabilität gegenüber solchen Fluktuationen – ohne komplexe Kompensationsprotokolle”, resümiert Dr. Jingzhong Yang vom Institut für Festkörperphysik der Leibniz Universität Hannover (LUH). “Unsere Ergebnisse unterstreichen die Machbarkeit, QD‑Einzelphotonenquellen in stabile, feldeinsetzbare Time-Bin‑QKD‑Systeme zu integrieren – ein wichtiger Schritt hin zu skalierbaren, quantensicheren Kommunikationsnetzen auf Basis von Festkörper‑Einzelphotonenemittern.” Hier geht’s zur Publikation.
Förderung:
- Bundesministerium für Forschung, Technologie und Raumfahrt (BMFTR): Quantenrepeater.Net (QR.N), Schirmprojekt Quantenkommunikation
Deutschland (SQuaD) und Semiconductor Integrated Quantum Optical Network (SemIQON)
- European Research Council Consolidator Grant (ERC): Large-scale multipartite entanglement on a quantum metrology network (MiNet)
- QuantERA II (Horizont Europa 2020): Enhanced Quantum Dot Sources and Optical Atomic Memories for Telecommunication InterConnectivity
(EQSOTIC)
- Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG): Zeit und Frequenz synchronisierte Langstrecken-Quantenkommunikation (InterSync)
- Exzellenzstrategie des Bundes und der Länder: Quantum Frontiers
Autor: © Leibniz Universität Hannover (LUH)