Quantenschlüsselverteilung in Zeitfenstern über 120 km mit einer Telekom-Quantenpunktquelle

Geheimnisse sicher halten mit den Gesetzen der Physik

Während unser Leben zunehmend ins Netz verlagert wird, wird der Schutz sensibler Informationen – Bankdaten, Gesundheitsakten, Regierungsinformationen – immer wichtiger. Konventionelle Verschlüsselung beruht auf mathematischen Problemen, die leistungsfähige zukünftige Computer, insbesondere Quantencomputer, womöglich knacken können. Diese Forschung verfolgt einen anderen Weg: einzelne Lichtteilchen zu nutzen, deren Verhalten von der Quantenmechanik bestimmt wird, um geheime Schlüssel zu erzeugen, die nicht nur praktisch, sondern prinzipiell sicher sind.

Von fragiler Polarisation zu robusten Zeitmarken

Viele Systeme zur Quanten-Schlüsselverteilung (QKD) kodieren Informationen in der Polarisation des Lichts, also in der Ausrichtung des elektrischen Feldes eines Photons. Das funktioniert gut im kontrollierten Labor, aber reale Glasfasernetze sind unordentlich. Temperaturänderungen, Vibrationen oder winzige Unregelmäßigkeiten im Glas verdrehen die Polarisation auf unvorhersehbare Weise, was zu Fehlern und ständigem, aktivem Ausgleich führt. Das Team hinter dieser Arbeit verwendet stattdessen die Ankunftszeit einzelner Photonen – früh oder spät innerhalb eines Takts – zur Informationsübertragung. Diese sogenannten Zeitfenster sind deutlich weniger empfindlich gegenüber Störungen entlang der Faser und versprechen robustere, wartungsärmere Quantenkommunikation.

Eine Festkörper-Einzelphotonenquelle bei Telekom-Wellenlängen

Um ein praktisches QKD-System über lange Strecken zu bauen, braucht man Einzelphotonen, die durch vorhandene Telekom-Fasern mit minimalen Verlusten reisen können. Die Forschenden nutzen einen Halbleiter-Quantenpunkt, ein winziges künstliches Atom, eingebettet in eine Nanostruktur, die seine Helligkeit erhöht. Wenn es von einem gepulsten Laser angeregt wird, emittiert der Quantenpunkt nacheinander einzelne Photonen bei etwa 1.560 Nanometern, genau im standardmäßigen Telekom-Band. Das Gerät liefert hochreine, auf Abruf verfügbare Einzelphotonen und überwindet damit die Einschränkungen konventioneller „schwacher Laser“-Ansätze, die nur annähernd Einzelphotonen liefern und subtile Sicherheitslücken für Lauscher offenlassen.

Zeitfenster in Quantenbits einteilen

Das Herzstück der Anordnung ist ein optischer Aufbau, der die Photonenpfade teilt und wieder zusammenführt, um eindeutige frühe und späte Ankunftszeiten zu erzeugen. Ein geschickter Schleifeninterferometer und ein Phasenmodulator legen kontrollierte Verzögerungen und Phasenverschiebungen fest und verwandeln so jedes Photon in einen von drei möglichen Zeitfensterzuständen: ein früher Puls, ein später Puls oder eine Quantenüberlagerung beider. Diese Zustände entsprechen den logischen Symbolen einer Variante des standardmäßigen BB84-QKD-Protokolls. Auf der Empfängerseite wandeln ein passender Interferometer und Phasensteller die Ankunftszeiten wieder in dasselbe Zustandsset um, sodass der Empfänger anhand des Zeitpunkts, an dem ein Photon den Detektor auslöst, bestimmen kann, welcher Bitwert gesendet wurde.

Quanten-Schlüssel über 120 Kilometer senden

Das Team verbindet seinen Sender („Alice") und Empfänger („Bob") mit bis zu 120 Kilometern Standard-Optikfaser, ähnlich der in zwischenstädtischen Telekom-Leitungen verwendeten. Sie betreiben das System sechs Stunden am Stück und überwachen sowohl die Quantenbitfehlerrate – wie häufig die empfangenen Bits von den gesendeten abweichen – als auch die Rate, mit der nach Fehlerkorrektur und Privatsphäreprüfung wirklich sichere Schlüsselbits gewonnen werden können. Selbst bei der größten Distanz bleiben die Fehler unter etwa 11 Prozent, ausreichend niedrig für etablierte Sicherheitsmethoden. Das System erreicht bei 120 Kilometern etwa 2×10⁻⁷ sichere Bits pro Photonenpuls, entsprechend ungefähr 15 sicheren Bits pro Sekunde — genug, um Textnachrichten zu verschlüsseln und die Praxistauglichkeit zu demonstrieren.

Was das für künftige Quantennetzwerke bedeutet

Kurz gesagt zeigt dieses Experiment, dass es möglich ist, nachweislich sichere Verschlüsselungsschlüssel über Stadt-zu-Stadt-Distanzen zu senden, mit einer chipbasierten Einzelphotonenquelle und einer zeitbasierten Kodierung, die von Natur aus gegen Umgebungsrauschen resistent ist. Zwar sind die aktuellen Schlüsselraten bescheiden, die Autoren skizzieren jedoch klare Verbesserungswege — hellere Quellen, Komponenten mit geringeren Verlusten, schnellerer Betrieb und bessere Detektoren. Ihre Arbeit ist die erste Demonstration echter Zeitfenster-QKD mit einem deterministischen Quantenpunkt bei Telekom-Wellenlängen und markiert einen wichtigen Schritt hin zu robusten, skalierbaren, quantensicheren Netzwerken, die sich direkt in die heutige Glasfaserinfrastruktur einklinken lassen.

Zitation: Wang, J., Hanel, J., Jiang, Z. et al. Time-bin encoded quantum key distribution over 120 km with a telecom quantum dot source. Light Sci Appl 15, 126 (2026). https://doi.org/10.1038/s41377-026-02205-9

Schlüsselwörter: Quanten-Schlüsselverteilung, Einzelphotonenquelle, Zeitfensterkodierung, Quantenpunkte, Telekom-Faser