de.wedoany.com-Bericht: Einem Forschungsteam der Universität Linköping, der Königlichen Technischen Hochschule Stockholm (KTH), der Universität Stockholm und der Technischen Universität Chalmers ist es gelungen, im Südosten Schwedens eine 303 Kilometer lange Langstrecken-Quantenschlüsselverteilungs-Verbindung (QKD) mit vertrauenswürdigen Knoten zu installieren und in ein dynamisch rekonfigurierbares Telekommunikationsnetz zu integrieren. Die Netzwerktopologie verbindet über einen vertrauenswürdigen Zwischenknoten das Universitätslabor in Linköping mit dem nationalen Quantenzentrum in Stockholm und kombiniert dabei Standard-Langstrecken-Einmodenfasern (SMF) mit Mehrmodenfaser-Zugangsabschnitten (MCF), um eine heterogene Unternehmens-Infrastruktur zu simulieren.
Die Versuchsarchitektur überbrückt eine von GlobalConnect gemietete, bereits verlegte 270 km lange Dunkelfaserstrecke mit einer 33 km langen, aufgewickelten Siebenkern-Mehrmodenfaser-Zugangsstrecke. Um die hohen Übertragungsverluste der beiden Hauptabschnitte zu überwinden – die 110 km lange Teilstrecke Linköping–Nyköping (Verlust 23 dB) und die 160 km lange Strecke Nyköping–Stockholm (Verlust 36 dB) – modifizierten die Forscher das kommerzielle ThinkQuantum-System (QuKy EDU Pro). Der Empfänger wurde umgerüstet, um externe supraleitende Nanodraht-Einzelphotonendetektoren (SNSPD) anzuschließen, die die standardmäßigen, im Gate-Modus arbeitenden Indium-Gallium-Arsenid-Lawinenphotodioden (InGaAs) ersetzen. Die SNSPDs bieten eine Detektionseffizienz von bis zu 93 % und eine extrem niedrige Dunkelzählrate von ≤1 Zählung pro Sekunde, wodurch die Schlüsselerzeugungsrate (SKR) auf der anfänglichen 110-km-Strecke von 0,16±0,02 kbit/s direkt auf 4,75±0,71 kbit/s gesteigert werden konnte.
In der räumlich gemultiplexten Zugangsstrecke in Linköping wurde der Quantenkanal über einen mehrportigen Polatis-Faserschalter aktiv in die Faser geroutet. Das System hielt eine positive Schlüsselrate aufrecht, während es den QKD-Kanal dynamisch auf zwei dafür vorgesehene, verlustarme Kerne umschaltete, und zwang den automatischen Polarisationsregler, die Polarisation innerhalb von mehreren zehn Sekunden während der Sitzung eigenständig neu auszurichten. Dieser Quantenverkehr koexistierte mit einem aktiven klassischen 10-Gbit/s-Ethernet-Datenkanal (Arbeitswellenlänge 1546,12 nm, Sendeleistung 0 dBm) und wurde durch kontinuierliches breitbandiges Rauschen einer 1550-nm-Leuchtdiode (LED) beaufschlagt, um Übersprechstörungen durch parallele Telekommunikationsdienste zu simulieren.
Über einen ununterbrochenen Betrieb von mehr als 92 Stunden hinweg speiste die physikalische Schicht die rohen Schlüsselblöcke in integrierte Schlüsselverwaltungssysteme (KMS) ein, die so konfiguriert waren, dass sie automatisch das Protokoll zur Schlüsselweitergabe über vertrauenswürdige Knoten ausführten. Da der Abschnitt Linköping–Nyköping einen konstant höheren durchschnittlichen Schlüsselerzeugungsdurchsatz aufrechterhielt als der verlustreichere Abschnitt Nyköping–Stockholm, glich der lokale KMS-Speicherpuffer die Ratenunterschiede aus. Diese Pufferfähigkeit verhinderte eine Erschöpfung der Schlüssel auf der Ende-zu-Ende-Virtualverbindung während lokaler Hardwareunterbrechungen, wie z. B. dem 24-stündigen Heliumkondensationszyklus, der für die adsorptionsgekühlten SNSPDs am Knoten in Linköping charakteristisch ist.
Um den praktischen Nutzen der schwankenden Schlüsselraten zu validieren, wurden die erzeugten Schlüssel für die informations-theoretisch sichere Bildübertragung mittels One-Time-Pad (OTP) innerhalb eines begrenzten 100-Sekunden-Fensters angewendet. Die Forscher verglichen die Leistung der klassischen waveletbasierten JPEG-2000-Kompression mit dem Deep-Learning-basierten JPEG-AI-Codec an einem Teilsatz von 2100 Bildern aus der NUS-WIDE-Datenbank. Die Tests zeigten, dass der neuronale Netzwerk-getriebene JPEG-AI-Codec bei stark eingeschränktem Schlüsselbudget die für jede Nutzlast erforderliche Bitanzahl minimierte und selbst bei starker Netzwerkrauschinjektion von bis zu 3,4 µW im Vergleich zu traditionellen transformationsbasierten Methoden höhere Werte für die wahrnehmungsbezogene Ähnlichkeit (LPIPS) und das Spitzen-Signal-Rausch-Verhältnis (PSNR) beibehielt. Das vollständige technische Manuskript, das die Hardwarekonfiguration, die Modellierung des Faserübersprechens und die Bildverschlüsselungsparameter beschreibt, ist über das Open-Access-Repository arXiv verfügbar.
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