Time-Frequency Quantum Key Distribution: Numerical Assessment and Implementation over a Free-Space Link

Abstract

Die Quantenschlüsselverteilung (QKD), die erste anwendbare Quantentechnologie, verspricht informationstheoretisch sichere Kommunikation. In der vorliegenden Arbeit wurde das Zeit-Frequenz (TF)-QKD-Protokoll untersucht, das Zeit und Frequenz, nämlich Puls-Positionsmodulation (PPM) im Zeitbereich und Frequenzumtastung (FSK) im Frequenzbereich als die beiden komplementären Basen verwendet. Seine Sicherheit beruht den Quanteneigenschaften von Licht und auf der Zeit-Frequenz-Unschärferelation.

TF-QKD kann mit größtenteils Standard-Telekommunikationstechnologie im 1550-nm-Band implementiert werden. Die PPM-Basis kann mit Modulatoren und die FSK-Basis mit Hilfe der Wellenlängenmultiplex-Technologie realisiert werden. Das TF-QKD-Protokoll ist in der Lage, ein beliebig großes Alphabet bereitzustellen, was mehr als 1 bit/Photon ermöglicht. Darüber hinaus ist es robust gegenüber athmosphärischen Störungen und somit für die Übertragung über den Freiraumkanal geeignet.

In der vorliegenden Arbeit wird das TF-QKD-Protokoll theoretisch bewertet, mit Standardkomponenten für 1 bit/Photon implementiert und die Freiraumübertragung mit optischem Tracking über eine 388 m Teststrecke wird bei Tageslicht demonstriert. Unter Verwendung der vorhandenen Komponenten konnte eine sichere Schlüsselrate von 364 kbit/s back-to-back und 9 kbit/s über den Freiraumkanal demonstriert werden.

Quantum key distribution (QKD), the first applicable quantum technology, promises information theoretically secure communication. In the presented work the time-frequency (TF)-QKD protocol was examined, which uses time and frequency, namely pulse position modulation (PPM) in the time domain and frequency shift keying (FSK) in the frequency domain as the two complementary bases. Its security relies on the quantum properties of light and the time-frequency uncertainty relation.

TF-QKD can be implemented mostly with standard telecom-technology in the 1550 nm band. The PPM basis can be implemented with modulators and the FSK basis with help of wavelength-division multiplexing technology. The TF-QKD protocol is capable of providing an arbitrarily large alphabet enabling more than 1 bit/photon. Moreover, it is robust in the atmosphere making it suitable for transmission over the free-space channel.

In the present work the TF-QKD protocol is assessed theoretically, implemented with off-the-shelf components for 1 bit/photon and free-space transmission with optical tracking over a 388 m testbed is demonstrated in daylight. Using components at hand, secret key rates of 364 kbit/s back-to-back and 9 kbit/s over the free-space channel could be demonstrated.