Zwei neue Tech­no­lo­gie­per­spek­ti­ven zur Qkom ver­öf­fent­licht

Leis­tungs­fä­hi­ge Quan­ten­com­pu­ter könn­ten bereits in den 2030er Jah­ren in der Lage sein, die der­zeit ver­wen­de­ten Ver­schlüs­se­lungs­al­go­rith­men zu kna­cken. Dies birgt ins­be­son­de­re für die Kom­mu­ni­ka­ti­on sen­si­bler Daten erheb­li­che Risi­ken. Vor die­sem Hin­ter­grund bie­tet die Quan­ten­schlüs­sel­ver­tei­lung (engl. Quan­tum Key Dis­tri­bu­ti­on, QKD), die auf dem Über­tra­gungs­weg phy­si­ka­lisch siche­re Kom­mu­ni­ka­ti­on auf Basis quan­ten­me­cha­ni­scher Prin­zi­pi­en ver­spricht, eine Opti­on zur Über­mitt­lung streng ver­trau­li­cher Infor­ma­tio­nen. Aus die­sem Grund gehört sie zu den Schlüs­sel­tech­no­lo­gien, die im Rah­men der im Juli 2025 beschlos­se­nen High­tech Agen­da Deutsch­land als beson­ders för­de­rungs­wür­dig gel­ten. In die­sem Zusam­men­hang hat das Fraun­ho­fer-Insti­tut für Sys­tem- und Inno­va­ti­ons­for­schung (ISI) Anfang April 2026 zwei neue Berich­te ver­öf­fent­licht, die das Inno­va­ti­ons­po­ten­zi­al und die zen­tra­len Her­aus­for­de­run­gen für Anwen­dungs­fäl­le von QKD im Detail beleuch­ten.

In der Road­map “Light Sources for Quan­tum Key Dis­tri­bu­ti­on – Tech­no­lo­gy Over­view and Future Per­spec­ti­ves” geben die Autor:innen einen Über­blick über kohä­ren­te Laser­quel­len für QKD mit dis­kre­ten und kon­ti­nu­ier­li­chen Varia­blen, die Erzeu­gung von Pho­to­nen­paa­ren mit­tels para­me­tri­scher Fluo­res­zenz (engl. Spon­ta­neous Para­me­tric Down-Con­ver­si­on, SPDC) und Vier-Wel­len-Mischung (engl. Four-Wave Mixing, FWM) sowie Quan­ten­punkt­quel­len und ande­re deter­mi­nis­ti­sche Emit­ter. Den Ergeb­nis­sen der Stu­die zufol­ge domi­nie­ren aus­ge­reif­te Laser­quel­len der­zei­ti­ge QKD-Sys­te­me. Den­noch macht die Erzeu­gung von Pho­to­nen­paa­ren Fort­schrit­te, ins­be­son­de­re für den Bereich der ver­schrän­kungs­ba­sier­ten QKD. Quan­ten­punk­te und ande­re deter­mi­nis­ti­sche Ein­zel­pho­to­nen­quel­len gel­ten als viel­ver­spre­chend für zukünf­ti­ge, fort­schritt­li­che Pro­to­kol­le und Quan­ten­netz­wer­ke. Gleich­wohl besteht wei­ter­hin tech­no­lo­gi­scher Ent­wick­lungs­be­darf, vor allem im Hin­blick auf Tele­kom­mu­ni­ka­ti­ons­kom­pa­ti­bi­li­tät und Kos­ten. Für eine kom­mer­zi­el­le Ein­füh­rung sind zudem Robust­heit, hohe Wie­der­ho­lungs­ra­ten, Inte­gra­ti­ons­po­ten­zi­al und Kos­ten­ef­fi­zi­enz ent­schei­dend. Dar­über hin­aus spie­len die Spe­zi­fi­ka­ti­on und Zer­ti­fi­zie­rung von Kom­po­nen­ten, rück­ver­folg­ba­re Mess­tech­nik, stan­dar­di­sier­te Cha­rak­te­ri­sie­rung sowie die gemein­sa­me Opti­mie­rung auf Sys­tem­ebe­ne mit Detek­to­ren eine zen­tra­le Rol­le.

Die Road­map “Pho­ton Detec­tors for Quan­tum Key Dis­tri­bu­ti­on – Tech­no­lo­gy Over­view and Future Per­spec­ti­ves” befasst sich mit Tech­no­lo­gien für Ein­zel­pho­to­nen-Detek­to­ren (engl. Sin­gle Pho­ton Detec­tors, SPD) für DV-QKD und kon­zen­triert sich dabei im Wesent­li­chen auf Sili­zi­um-Ein­zel­pho­to­nen-Lawi­nen­di­oden (Si-SPADs), Indi­um­gal­li­um­ar­se­nid-/In­di­um­phos­phid-SPADs (InGaAs/InP-SPADs) sowie supra­lei­ten­de Nano­draht-Ein­zel­pho­to­nen-Detek­to­ren (SNSPDs). Die Wahl des Detek­tors hängt vom Anwen­dungs­sze­na­rio, der Ent­fer­nung, der Schlüs­sel­ra­te, den Kos­ten und den Inte­gra­ti­ons­an­for­de­run­gen ab. Im Bericht stel­len die Autor:innen die Eig­nung der Detek­to­ren für Glasfaser‑, Frei­raum- und Satel­li­ten­ver­bin­dun­gen dar und heben dabei zen­tra­le Ziel­kon­flik­te zwi­schen Leis­tung, Betriebs­auf­wand und Kos­ten her­vor. Die Stu­die zeigt, dass SNSPDs eine unüber­trof­fe­ne Leis­tung bie­ten, höchs­te Schlüs­sel­ra­ten ermög­li­chen und größ­te Ent­fer­nun­gen über­brü­cken kön­nen – aller­dings erfor­dern sie kryo­ge­ne Küh­lung. Si-SPADs sind aus­ge­reift, kos­ten­güns­tig und beson­ders geeig­net für Frei­raum- und Kurz­stre­cken­ver­bin­dun­gen, eig­nen sich jedoch nicht für die in der faser­ba­sier­ten Kom­mu­ni­ka­ti­on übli­chen Stan­dard-Tele­kom­mu­ni­ka­ti­ons­wel­len­län­gen. InGaAs/InP-SPADs bie­ten ein aus­ge­wo­ge­nes Ver­hält­nis zwi­schen Leis­tung und Ein­satz­fä­hig­keit für Glas­fa­ser- und Frei­raum­ver­bin­dun­gen bei Tele­kom­mu­ni­ka­ti­ons­wel­len­län­gen, wei­sen jedoch ver­gleichs­wei­se gerin­ge Detek­ti­ons­ef­fi­zi­en­zen und höhe­res Rau­schen auf. Ins­ge­samt soll­te die Wahl des Detek­tors vom Anwen­dungs­sze­na­rio – ins­be­son­de­re von Ent­fer­nung und Schlüs­sel­ra­te – abhän­gen, wobei auch Kos­ten, Küh­lungs­an­for­de­run­gen und Inte­gra­ti­ons­be­schrän­kun­gen berück­sich­tigt wer­den müs­sen. Auch in die­sem Bereich sind künf­tig wei­te­re tech­no­lo­gi­sche Fort­schrit­te zu erwar­ten.