Kürzlich erzielte ein chinesisches Forschungsteam neue Fortschritte im Bereich der Quantenkommunikation. Die Teams um Pan Jianwei und Xu Feihu von der Universität für Wissenschaft und Technologie Chinas arbeiteten gemeinsam mit der Sun-Yat-sen-Universität, der Shanghai Jiao Tong Universität und anderen Einrichtungen daran, ein auf dem Zwei-Feld-Quantenschlüsselverteilungsprotokoll basierendes, chipbasiertes Quantenkommunikationsnetzwerk über große Entfernungen zu realisieren. Dabei wurde über eine Glasfaserstrecke von bis zu 540 km eine sichere Schlüsselrate erzielt, die die Kapazität von Schlüsseln ohne Relais übersteigt.
Die Quantenschlüsselverteilung ermöglicht es entfernten Nutzern, informationstheoretisch sichere Schlüssel gemeinsam zu nutzen. In Kombination mit der One-Time-Pad-Verschlüsselung kann sie im Prinzip eine bedingungslos sichere Kommunikation gewährleisten. Das Zwei-Feld-Quantenschlüsselverteilungsprotokoll kann die Einschränkung der herkömmlichen Quantenschlüsselverteilung überwinden, bei der die Schlüsselrate linear mit der Entfernung abnimmt, und stellt eine wichtige technische Route für Glasfaser-Quantenkommunikationsnetzwerke über große Entfernungen dar. Dieses Protokoll stellt jedoch hohe Anforderungen an die Kohärenz der Lichtquelle, die Stabilität der Verbindung und die Präzision der Systemsteuerung, was die praktische Implementierung erschwert.
Abbildung 1: Hybrid integrierter photonischer Chip aus Siliziumnitrid und Dünnschicht-Lithiumniobat
Der Kernfortschritt dieser Forschung liegt in der chipbasierten Sendeeinheit. Das Forschungsteam entwickelte einen hybrid integrierten photonischen Chip aus Siliziumnitrid und Dünnschicht-Lithiumniobat. Dabei wurde ein selbstinjektionsgekoppelter Laserchip, der auf einem Siliziumnitrid-Mikroringresonator mit hohem Gütefaktor basiert, mit einem photonischen Integrationschip aus Dünnschicht-Lithiumniobat kombiniert, der mehrere Intensitätsmodulatoren, Phasenmodulatoren und variable optische Dämpfer integriert. Der On-Chip-Laser erreicht eine schmale Linienbreite von 100 Hz, und der Dünnschicht-Lithiumniobat-Modulator erreicht eine Modulationsbandbreite von 25 GHz, eine Halbwellenspannung von 2,6 V und ein Extinktionsverhältnis von 34 dB.
In Bezug auf die Netzwerkarchitektur schlug das Forschungsteam eine Quanten-Spine-Leaf-Netzwerkstruktur vor. Diese Struktur besteht aus einer Nutzerschicht, einer Leaf-Schicht und einer Spine-Schicht. Die Nutzer greifen über chipbasierte Sendeeinheiten auf das Netzwerk zu, und die Quantensignal-Routing und -Messung erfolgt über optische Schalter und Messeinheiten. Im Vergleich zu Tests mit einer einzelnen Verbindung kommt diese Struktur den Anforderungen eines realen Quantenkommunikationsnetzwerks näher und kann die Nutzeranschlusskapazität, die Netzwerkskalierbarkeit und die Verbindungsflexibilität verbessern.
Abbildung 2: Systemdiagramm eines integrierten Chip-basierten Quantenschlüsselverteilungsnetzwerks mit vier Nutzern
Im Experiment baute das Forschungsteam ein chipbasiertes Zwei-Feld-Quantenschlüsselverteilungsnetzwerk mit vier Nutzern auf und demonstrierte Verbindungen mit verschiedenen Nutzerkonfigurationen über Glasfaserstrecken von 40 km bzw. 403 km. In einem weiteren Experiment erreichte das System über eine 540 km lange Ultra-Low-Loss-Glasfaserstrecke mit einer Gesamtdämpfung von 91,5 dB eine sichere Schlüsselrate von 2,93 bps, was die Kapazität von Schlüsseln ohne Relais um das Neunfache übersteigt.
Die Ergebnisse wurden auch durch Netzwerkleistungssimulationen untermauert. Basierend auf den experimentellen Parametern kann das Quanten-Spine-Leaf-Netzwerk über eine Glasfaserstrecke von 50 km mehr als 50 Nutzer für hochwertige Videotelefonie unterstützen. Dies zeigt, dass das chipbasierte Quantenkommunikationsnetzwerk nicht nur die Fähigkeit zur Übertragung über große Entfernungen bestätigt, sondern auch das zukünftige Erweiterungspotenzial für mehrnutzerfähige städtische Quantennetzwerke aufzeigt.
Abbildung 3: Experimentelle Schlüsselratenergebnisse des Quantenschlüsselverteilungsnetzwerks
Die Bedeutung dieser Errungenschaft liegt in der Kombination der photonischen Integrationschiptechnologie mit der Architektur von Quantenkommunikationsnetzwerken über große Entfernungen. Herkömmliche Quantenkommunikationssysteme leiden oft unter Problemen wie großer Gerätegröße, hohen Kosten und hoher Systemkomplexität. Der Chip-basierte Ansatz trägt dazu bei, die Sendeeinheit zu miniaturisieren, zu stabilisieren und kostengünstiger zu machen, und bietet eine technische Grundlage für den späteren Aufbau großflächiger Quantenkommunikationsnetzwerke.
Diese Ergebnisse befinden sich jedoch noch in der Phase der wissenschaftlichen Validierung. Für zukünftige großflächigere Anwendungen müssen weiterhin Probleme wie Chip-Konsistenz, Systemtechnik, langfristiger stabiler Betrieb, Netzwerkmanagement, Standardschnittstellen und die Unterstützung der industriellen Wertschöpfungskette gelöst werden. Insbesondere in realen städtischen und überregionalen Netzwerken wird die Quantensignalübertragung mit komplexen Bedingungen wie Umgebungsschwankungen, Leitungsdämpfung, Knotenplanung und Gerätewartung konfrontiert sein.
Die zukünftigen Beobachtungsschwerpunkte werden auf dem technischen Fortschritt der chipbasierten Sendeeinheit, der Betriebsleistung des Quanten-Spine-Leaf-Netzwerks bei einer Vergrößerung der Nutzerzahl, der Kompatibilität mit bestehenden Glasfaserkommunikationsnetzwerken sowie der Frage liegen, ob diese Technologie in ein städtisches Quantenkommunikations-Testnetzwerk Einzug hält. Wenn die anschließende Validierung reibungslos verläuft, könnte das chipbasierte Quantenkommunikationsnetzwerk über große Entfernungen zu einer wichtigen technologischen Richtung für eine sichere Kommunikationsinfrastruktur werden.