QKD gilt als der reifste Zweig der Quantenkryptographie und bietet unter klar definierten Annahmen informationstheoretische Sicherheit für künftige Quantennetze. Festkörper‑Quantenlichtquellen wie Halbleiter‑Quantenpunkte 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 (Time-Bin‑Kodierung) zeigt großes Potenzial für weiträumige Quantenkommunikation in praxisnahen Szenarien. Time-Bin‑Qubits sind inhärent robust gegenüber Umwelteinflüssen, die verlegte Glasfaserstrecken beeinträchtigen.
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.
„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 Jingzhong Yang vom Institut für Festkörperphysik der Leibniz Universität Hannover.
„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.“
Originalpublikation:
Time-bin encoded quantum key distribution over 120 km with a telecom quantum dot source
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 & Fei Ding
Light: Science & Applications 15, 126 (2026)
DOI: https://doi.org/10.1038/s41377-026-02205-9
