KIP-Veröffentlichungen

Die Möglichkeit universeller Quantencomputer in der Zukunft bedroht die Sicherheit klassischer Verschlüsselung und treibt die Entwicklung quantensicherer Alternativen wie der Quantenverschlüsselung (QKD) voran. Damit QKD ein praktischer Ersatz sein kann, ist es entscheidend, eine hohe Schlüsselrate (SKR) über große Entfernungen zu erreichen. Diese Arbeit trägt zu diesem Ziel bei, indem sie ein skalierbares QKD-System entwickelt und analysiert, das Wellenlängenmultiplexing (WDM) mit integrierter Photonik nutzt. Das System verwendet einen Senderchip aus Indiumphosphid (InP) mit integrierten Lasern und Elektroabsorptionsmodulatoren (EAM) zur Erzeugung von zeitbinär kodierten Zuständen auf der Grundlage eines BB84-ähnlichen Protokolls mit drei Zuständen und einem Decoy-Zustand sowie einen Empfängerchip aus Siliziumnitrid (SiN) mit integrierten supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren (SNSPDs) zur Messung. Zu den wichtigsten Beiträgen dieser Arbeit gehören: (1) numerische Simulation und Optimierung der Schlüsselrate des QKD-Protokolls; (2) Entwicklung eingebetteter Software, einschließlich der FPGA-Konfiguration für die Echtzeit-Wellenformsynthese und der Mikrocontroller-Firmware, einschließlich einer GUI, die den Parallelbetrieb von über 100 aktiven Geräten steuert; und (3) experimentelle Charakterisierung einer einkanaligen Version des Systems, einschließlich der EAM-Treiberelektronik und der photonischen Komponenten (Laser, EAM, Empfänger). Die Simulationen identifizierten optimale Parameter (μ1 ≈ 0, 33, P(ZBob) ≈ 86%) und quantifizierten wichtige Abhängigkeiten (Blockgröße nZ, Wiederholungsrate). Die experimentellen Ergebnisse charakterisierten zwar erfolgreich die Schlüsselkomponenten – sie zeigten 120-ps-Lichtimpulse mit einer Extinktion von >18 dB, was einer Fehlerrate von 2–3% entspricht, einer Systemerkennungseffizienz von fast 30%, einem DLI freien Spektralbereich von 72 pm und einer Detektor-Totzeit von 25,6 ns – die gemessene Phasenfehlerrate in der QKD-Sequenz überschritt jedoch den Sicherheitsschwellenwert, wodurch die Berechnung einer positiven Untergrenze für den SKR verhindert wurde. Dies unterstreicht die Notwendigkeit weiterer Integration und verbesserter Steuerelektronik.

The possibility of universal quantum computers in the future threatens the security of classical encryption, driving the development of quantum-safe alternatives like Quantum Key Distribution (QKD). For QKD to be a practical replacement, achieving a high Secret Key Rate (SKR) over long distances is crucial. This thesis contributes to this goal through the development and analysis of a scalable QKD system that exploits Wavelength-Division Multiplexing (WDM) with integrated photonics. The system employs an Indium Phosphide (InP) sender chip with integrated lasers and Electro-Absorption Modulators (EAM) for generating timebin encoded states based on a three-state decoy-state BB84-like protocol, and a Silicon Nitride (SiN) receiver chip with integrated Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors (SNSPDs) for measurement. Key contributions of this work include: (1) numerical simulation and optimization of the QKD protocol’s SKR; (2) development of embedded software, encompassing FPGA configuration for real-time waveform synthesis and microcontroller firmware, including a GUI controlling the parallel operation of over 100 active devices; and (3) experimental characterization of a single-channel version of the system, including the EAM driver electronics and photonic components (laser, EAM, receiver). The SKR simulations identified optimal parameters (μ1 ≈ 0.33, P(ZBob) ≈ 86%) and quantified key dependencies (block size, repetition rate). However, while the experimental results successfully characterized key components - demonstrating 120 ps optical pulses with >18 dB extinction, corresponding to a 2-3% QBER, a system detection efficiency near 30%, a DLI free spectral range of 72 pm, and a 25.6 ns detector dead time - the measured phase error rate in the QKD sequence unfortunately exceeded the security threshold, preventing the calculation of a positive lower bound on the SKR. This highlights the need for further integration and improved control electronics.