Quantenpunktbasiertes Zeitbin-QKD ermöglicht eine stabile, sichere Kommunikation über große Entfernungen mit praktischer Leistung.
Die Verteilung von Quantenschlüsseln ist der fortschrittlichste Bereich der Quantenkryptographie und bietet grundlegend sichere Kommunikation für das zukünftige Quanteninternet. Festkörperlichtquellen wie Halbleiter-Quantenpunkte (SQDs) haben große Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da sie nicht-klassische Photonen hoher Qualität für die Quantenkommunikation erzeugen können. Diese Quellen können höhere Schlüsselgenerierungsraten unterstützen und ermöglichen möglicherweise die Verwendung von Quantenrepeatern.
Ein weiterer vielversprechender Ansatz besteht darin, Informationen im Timing photonischer Qubits zu kodieren, die sogenannte Time-Bin-Kodierung, die sich gut für die Kommunikation über große Entfernungen eignet. Zeitbin-Qubits sind besonders widerstandsfähig gegenüber Umweltstörungen, die typischerweise Glasfasernetze stören.
In einer Studie veröffentlicht inLicht: Wissenschaft und Anwendungenberichtet ein internationales Team aus deutschen und chinesischen Institutionen über die erste echte Demonstration der Quantenschlüsselverteilung in Zeitintervallen mithilfe eines On-Demand-Telekommunikations-Halbleiter-Quantenpunktgeräts.
Hochgeschwindigkeits-Quantenpunktsystem erreicht Rekordgeschwindigkeiten über 120 km
Die Forscher erzeugten deterministisch und zufällig drei verschiedene Qubit-Zustände in Zeitintervallen mithilfe eines selbststabilisierten Encoders, der polarisierte Einzelphotonen aus einem Telekommunikations-C-Band-Quantenpunkt umwandelt. Auf der Empfangsseite werden die Qubits mit einem aktiv stabilisierten Interferometer dekodiert, das über einen Phasenschieber verfügt und so einen kontinuierlichen Betrieb ohne manuelle Anpassungen ermöglicht. Das System übertrug erfolgreich Signale über Entfernungen von mehr als 120 km (ca. 75 Meilen) über Glasfaser und behielt dabei eine stabile Leistung über mehr als 6 Stunden bei.
Dieser Proof of Concept erreichte die höchste sichere Schlüsselrate, die für Zeit-Bin-QKD-Systeme unter Verwendung einer Hochleistungs-Quantenpunktquelle gemeldet wurde. Das Gerät erzeugt helle, hochreine Einzelphotonen mit einer Betriebsfrequenz von etwa 76 MHz. Selbst nach der Übertragung über 120 km (ca. 75 Meilen) Standard-Glasfaser hält das System die durchschnittliche Quantenbitfehlerrate unter 11 %. Unter realistischen Finite-Key-Bedingungen liefert es eine durchschnittliche sichere Schlüsselrate von etwa 15 Bits pro Sekunde, was für praktische Anwendungen wie die Verschlüsselung von Textnachrichten ausreichend ist.
Stabilität, Leistung und reale Auswirkungen der Quantenkommunikation
Die Forscher betonen die Bedeutung dieser Ergebnisse: „QDs im Telekommunikationsband mit Purcell-Verstärkung können hochhelle Photonen liefern, die für die Glasfaserkommunikation zwischen Städten geeignet sind, was sie zu vielversprechenden Kandidaten für die Integration in praktische QKD-Systeme macht.“
„Die meisten existierenden QD-basierten QKD-Systeme sind anfällig für Änderungen im praktischen Quantenkanal, die durch Umweltfaktoren wie Turbulenzen, Temperatur und Vibrationen verursacht werden. Dies erfordert eine 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 Kanalschwankungen, auch ohne komplexe Kompensationsprotokolle.“
Sie fahren fort: „Das System wird 6 Stunden lang ununterbrochen betrieben, was die intrinsische Robustheit des durch das System ermöglichten Zeitintervallschemas unterstreicht, einschließlich des Sagnac-Interferometers (SNI), der aktiven Rückkopplungssteuerung usw.“
„Dieses Ergebnis unterstreicht die Machbarkeit der Integration von QD-Einzelphotonenquellen in stabile und vor Ort einsetzbare Zeitfenster-QKD-Systeme und markiert einen wichtigen Schritt in Richtung skalierbarer, quantensicherer Kommunikationsnetzwerke auf Basis von Festkörper-Einzelphotonenemitter.“
Referenz: „Time-bin encoded Quantum Key Distribution Over 120 km with a Telecom Quantum Dot Source“ von Jipeng Wang, Joscha Hanel, Zenghui Jiang, Raphael Joos, Michael Jetter, Eddy Patrick Rugeramigabo, Simone Luca Portalupi, Peter Michler, Xiao-Yu Cao, Hua-Lei Yin, Lei Shan, Jingzhong Yang, Michael Zopf und Fei Ding, 25. Februar 2026,Licht: Wissenschaft und Anwendungen.
DOI: 10.1038/s41377-026-02205-9
Diese Studie wurde gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projekts QR.X, das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projekts QR.N, das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projekts SQuaD, das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projekts SemIQON, den Europäischen Forschungsrat, das QuantERA II-Programm, das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), InterSync und Deutsche Exzellenzstrategie (EXC-2123) Quantum Frontiers.
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Quantenpunktbasiertes Zeitbin-QKD ermöglicht eine stabile, sichere Kommunikation über große Entfernungen mit praktischer Leistung.
Die Verteilung von Quantenschlüsseln ist der fortschrittlichste Bereich der Quantenkryptographie und bietet grundlegend sichere Kommunikation für das zukünftige Quanteninternet. Festkörperlichtquellen wie Halbleiter-Quantenpunkte (SQDs) haben große Aufmerksamkeit auf sich gezogen, da sie nicht-klassische Photonen hoher Qualität für die Quantenkommunikation erzeugen können. Diese Quellen können höhere Schlüsselgenerierungsraten unterstützen und ermöglichen möglicherweise die Verwendung von Quantenrepeatern.
Ein weiterer vielversprechender Ansatz besteht darin, Informationen im Timing photonischer Qubits zu kodieren, die sogenannte Time-Bin-Kodierung, die sich gut für die Kommunikation über große Entfernungen eignet. Zeitbin-Qubits sind besonders widerstandsfähig gegenüber Umweltstörungen, die typischerweise Glasfasernetze stören.
In einer Studie veröffentlicht inLicht: Wissenschaft und Anwendungenberichtet ein internationales Team aus deutschen und chinesischen Institutionen über die erste echte Demonstration der Quantenschlüsselverteilung in Zeitintervallen mithilfe eines On-Demand-Telekommunikations-Halbleiter-Quantenpunktgeräts.
Hochgeschwindigkeits-Quantenpunktsystem erreicht Rekordgeschwindigkeiten über 120 km
Die Forscher erzeugten deterministisch und zufällig drei verschiedene Qubit-Zustände in Zeitintervallen mithilfe eines selbststabilisierten Encoders, der polarisierte Einzelphotonen aus einem Telekommunikations-C-Band-Quantenpunkt umwandelt. Auf der Empfangsseite werden die Qubits mit einem aktiv stabilisierten Interferometer dekodiert, das über einen Phasenschieber verfügt und so einen kontinuierlichen Betrieb ohne manuelle Anpassungen ermöglicht. Das System übertrug erfolgreich Signale über Entfernungen von mehr als 120 km (ca. 75 Meilen) über Glasfaser und behielt dabei eine stabile Leistung über mehr als 6 Stunden bei.
Dieser Proof of Concept erreichte die höchste sichere Schlüsselrate, die für Zeit-Bin-QKD-Systeme unter Verwendung einer Hochleistungs-Quantenpunktquelle gemeldet wurde. Das Gerät erzeugt helle, hochreine Einzelphotonen mit einer Betriebsfrequenz von etwa 76 MHz. Selbst nach der Übertragung über 120 km (ca. 75 Meilen) Standard-Glasfaser hält das System die durchschnittliche Quantenbitfehlerrate unter 11 %. Unter realistischen Finite-Key-Bedingungen liefert es eine durchschnittliche sichere Schlüsselrate von etwa 15 Bits pro Sekunde, was für praktische Anwendungen wie die Verschlüsselung von Textnachrichten ausreichend ist.
Stabilität, Leistung und reale Auswirkungen der Quantenkommunikation
Die Forscher betonen die Bedeutung dieser Ergebnisse: „QDs im Telekommunikationsband mit Purcell-Verstärkung können hochhelle Photonen liefern, die für die Glasfaserkommunikation zwischen Städten geeignet sind, was sie zu vielversprechenden Kandidaten für die Integration in praktische QKD-Systeme macht.“
„Die meisten existierenden QD-basierten QKD-Systeme sind anfällig für Änderungen im praktischen Quantenkanal, die durch Umweltfaktoren wie Turbulenzen, Temperatur und Vibrationen verursacht werden. Dies erfordert eine 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 Kanalschwankungen, auch ohne komplexe Kompensationsprotokolle.“
Sie fahren fort: „Das System wird 6 Stunden lang ununterbrochen betrieben, was die intrinsische Robustheit des durch das System ermöglichten Zeitintervallschemas unterstreicht, einschließlich des Sagnac-Interferometers (SNI), der aktiven Rückkopplungssteuerung usw.“
„Dieses Ergebnis unterstreicht die Machbarkeit der Integration von QD-Einzelphotonenquellen in stabile und vor Ort einsetzbare Zeitfenster-QKD-Systeme und markiert einen wichtigen Schritt in Richtung skalierbarer, quantensicherer Kommunikationsnetzwerke auf Basis von Festkörper-Einzelphotonenemitter.“
Referenz: „Time-bin encoded Quantum Key Distribution Over 120 km with a Telecom Quantum Dot Source“ von Jipeng Wang, Joscha Hanel, Zenghui Jiang, Raphael Joos, Michael Jetter, Eddy Patrick Rugeramigabo, Simone Luca Portalupi, Peter Michler, Xiao-Yu Cao, Hua-Lei Yin, Lei Shan, Jingzhong Yang, Michael Zopf und Fei Ding, 25. Februar 2026,Licht: Wissenschaft und Anwendungen.
DOI: 10.1038/s41377-026-02205-9
Diese Studie wurde gefördert durch das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projekts QR.X, das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projekts QR.N, das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projekts SQuaD, das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen des Projekts SemIQON, den Europäischen Forschungsrat, das QuantERA II-Programm, das Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF), die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG), InterSync und Deutsche Exzellenzstrategie (EXC-2123) Quantum Frontiers.
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