Integration von Quanten-Schlüsselverteilung in bestehende Netzwerke

Quanten-Schlüssel-Verteilung (QKD) ist eine Technologie, die es zwei Parteien ermöglicht, einen geheimen Schlüssel sicher zu teilen, indem sie die Prinzipien der Quantenmechanik nutzen. Dieser Schlüssel kann dann für sichere Kommunikation verwendet werden. Da sich die Quantencomputing-Technologie weiterentwickelt, könnten traditionelle Verschlüsselungsmethoden anfällig werden, weshalb QKD eine theoretisch sichere Lösung bietet. Allerdings erfordert der erfolgreiche Einsatz von QKD in der realen Welt sorgfältige Planung, besonders wenn es um bestehende Glasfasernetzwerke geht, die auch regulären Datenverkehr transportieren.

#Die Herausforderung der Koexistenz

Die meisten aktuellen Kommunikationssysteme nutzen klassische Datenkanäle, die die QKD-Kanäle stören können, wenn sie sich dieselben Glasfaserleitungen teilen. Eines der Hauptprobleme ist eine Art von Rauschen, das Spontane Raman-Streuung (SpRS) genannt wird, welches auftritt, wenn Lichtsignale in der Faser streuen und zusätzliches Rauschen erzeugen. Dieses Rauschen kann die Leistung von QKD-Systemen beeinträchtigen.

Um dieses Problem zu lösen, erforschen die Forscher verschiedene Methoden, die es erlauben, dass Quanten- und Klassische Kanäle in derselben Faser koexistieren. Einige Lösungen bestehen darin, den QKD-Kanal in einem anderen Wellenlängenband, wie zum Beispiel dem O-Band, zu platzieren. Diese Methode leidet jedoch unter hohen Faserverlusten und begrenzten Reichweiten, die normalerweise 80 km nicht überschreiten. Andere Ansätze versuchen, die Leistung der klassischen Kanäle zu reduzieren, was jedoch auch zu einer verminderten Leistung führen kann.

#Einführung der Zeitinterleaving-Technik

Eine vielversprechende Lösung ist eine Technik namens Zeitinterleaving. Diese Methode erlaubt es, dass Quanten- und klassische Kanäle zusammenarbeiten, ohne ihre individuelle Leistung zu beeinträchtigen. Dabei werden die QKD-Pulse in die Zeitlücken zwischen den klassischen Datensignalen eingeordnet. So kann der Quantenkanal Störungen durch das Rauschen der klassischen Kanäle umgehen.

Diese Technik wird im C-Band demonstriert, das häufig in der Telekommunikation eingesetzt wird. Indem QKD-Signale in die Lücken der klassischen Datenrahmen eingebettet werden, isolieren die Forscher die Quantensignale effektiv vom SpRS-Rauschen.

#Versuchsaufbau

Um die Effektivität des Zeitinterleavings zu testen, wurde ein Versuchsaufbau erstellt. Dabei wurde die gleichzeitige Übertragung eines polarisationkodierten Täuschungszustands-BB84-QKD-Kanals mit verschiedenen klassischen Datenkanälen untersucht. Der Versuch verwendete ein bestimmtes Wellenlängenband und beinhaltete Werkzeuge wie Intensitätsmodulatoren, Polarisationsregler und Filter, um die Signale zu verwalten.

Es wurden mehrere Fasernlängen getestet: 20 km, 50 km und 100 km. Die klassischen Kanäle arbeiteten mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, entweder mit 10 Gb/s On-Off-Keying oder mit schnelleren 100 Gb/s Quadratur-Phasen-Shift-Keying. Das Ziel war zu sehen, wie gut das QKD-System unter diesen unterschiedlichen Bedingungen funktionierte.

#Ergebnisse des Experiments

Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die Leistung des QKD-Systems selbst in Anwesenheit von leistungsstarken klassischen Kanälen stark blieb. Zum Beispiel hielt der QKD-Kanal bei 20 km Faser eine niedrige Fehlerquote, bekannt als Quantum Bit Error Rate (QBER), während er eine sichere Schlüsselrate (SKR) erreichte, die angibt, wie schnell sichere Schlüssel generiert werden können. Als die Faserlänge auf 50 km und dann auf 100 km erhöht wurde, stieg die QBER leicht an, blieb jedoch handhabbar.

Die Werte des SpRS-Rauschens wurden genau überwacht, und es stellte sich heraus, dass die Rauschzählungen in den Lücken niedrig gehalten wurden, was effektive QKD-Betriebe ermöglichte. In Szenarien, in denen bis zu acht klassische Kanäle neben dem Quantenkanal verwendet wurden, zeigte die Zeitinterleaving-Technik weiterhin vielversprechende Ergebnisse und hielt die QBER innerhalb akzeptabler Grenzen.

#Dispersion Walk-off

Ein wichtiger Faktor, der die Leistung der Kanäle beeinflusst, ist ein Phänomen, das als Dispersion Walk-off bekannt ist. Das passiert, weil unterschiedliche Wellenlängen von Licht in optischen Fasern mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten reisen. Infolgedessen kann das Rauschen, das von klassischen Kanälen erzeugt wird, zeitlich versetzt beim Quanten-Detektor ankommen, im Vergleich zu den QKD-Pulsen.

In den Experimenten beobachteten die Forscher, wie diese Dispersion die Zeitlücken zwischen den klassischen Datensignalen beeinflusste. Je länger die Faserstrecke, desto mehr schrumpften die Lücken, was die Chancen erhöhte, dass das Rauschen das QKD-Signal stört. Durch sorgfältige Auswahl klassischer Kanäle, die in Bezug auf die Wellenlänge nahe am Quantenkanal sind, konnten die Effekte der Dispersion jedoch minimiert werden.

#Fazit

Die Zeitinterleaving-Technik stellt eine solide Lösung dar, um QKD in bestehende Telekommunikationsinfrastrukturen zu integrieren. Indem sie es den Quantensignalen ermöglicht, sich mit klassischen Datenrahmen zu vermischen, wird das SpRS-Rauschen effektiv gemanagt, was den Weg für sichere Kommunikation ebnet, ohne die Leistung zu beeinträchtigen.

Mit erfolgreichen Tests über Entfernungen von bis zu 100 km zeigt diese Methode, dass QKD in der realen Welt neben traditionellen Datenkanälen funktionieren kann. Die Ergebnisse betonen die Bedeutung der Kanalauswahl und das Potenzial für hohe Ausgangsleistungen in klassischen Kanälen, während eine niedrige QBER und akzeptable SKR beibehalten werden.

Mit dem steigenden Bedarf an sicherer Kommunikation, insbesondere angesichts der Fortschritte im Quantencomputing, wird es entscheidend sein, QKD in bestehende Netzwerke zu integrieren. Die Forschung hebt die Notwendigkeit weiterer Verbesserungen hervor, wie z.B. die Leistung von Einzelphotonendetektoren zu steigern, um sowohl die Schlüsselrate als auch die Faserreichweiten in zukünftigen Einsätzen zu maximieren.

Insgesamt legt diese Forschung den Grundstein für praktische Anwendungen der Quantenkryptografie in modernen Telekommunikationsnetzen und bietet letztendlich einen Weg zu sichereren Kommunikationen in einer zunehmend digitalen Welt.