Integration eines hochintegrierten Quantenempfängers in ein Quantum Key Distribution System mit kontinuierlichen Variablen - QuNET+DECODE (optimized coherent receiver for cv-qkd systems)

Abstract

Das Projekt QuNET+DECODE hatte die Entwicklung eines leistungsstarken, vollständig integrierten Quantenempfängers für die Quanten-Schlüsselverteilung mit kontinuierlichen Variablen (CV-QKD) sowie dessen nahtlose Einbindung in die bestehende QuNET-Infrastruktur zum Ziel. Aufbauend auf einer Vielzahl bestehender CV-QKD-Experimente, die sich durch vielfältige Modulationsformate und Homodyn-Detektionsverfahren auszeichnen, verfolgte das Konsortium folgende Ziele: (i) die Anforderungen an das optische Frontend und den Transimpedanzverstärker (TIA) für ein dualpolarisationsoptimiertes CV-QKD-Protokoll zu definieren, (ii) die Empfänger-Schnittstellen mit dem QuNET-CV-QKD-System zu validieren und (iii) Codierungen höherer Ordnung im Stokes-Raum für die polarisationsdiverse Schlüsselgenerierung zu untersuchen. Zu Projektanfang wurden detaillierte Empfängerspezifikationen (Spannungsversorgung, Datenüberwachungsschnittstelle, Platzbedarf, elektromagnetische Suszeptibilität) festgelegt und Schnittstellentests mit kommerziellen Detektoren durchgeführt. Spektrale Rauschmessungen zeigten einen linearen Rauschpegel und ein geeignetes Verhältnis von Quanten- zu klassischem Rauschen. In anschließenden Experimenten mit einem polarisationsdiversen 90°-Hybrid sowohl in Glasfaser- als auch in Freistrahlverbindungen wurden Polarisationsdrift, Übersprechen und die Auswirkungen paralleler DWDM-Kanäle charakterisiert, wobei die für den integrierten DECODE-Empfänger erwarteten Bedingungen nachgebildet wurden. Das im Rahmen des Projekts entwickelte integrierte Modul wies eine unzureichende Trennung zwischen Quanten- und elektronischem Rauschen auf, was seinen Einsatz im QuNET-Schlüsselversuch (SE4) ausschloss. Dies unterstreicht die Notwendigkeit einer weiteren Optimierung des Rauschverhaltens integrierter Detektoren in Folgeuntersuchungen. Auf theoretischer Ebene untersuchte das Projekt Terme höherer Ordnung bei der Kodierung im Stokes-Raum und fand dabei hybride Kommutationsrelationen, die neue Forschungsrichtungen zur Quanteninformationsverarbeitung mit Polarisationszuständen eröffnen könnten. The project QuNET+DECODE pursued the development of a high‑performance, fully integrated quantum receiver for continuous‑variable quantum key distribution (CV‑QKD) and its seamless incorporation into the existing QuNET infrastructure. Building on a landscape of existing CV‑QKD experiments, characterised by diverse modulation formats and homodyne detection schemes, the consortium aimed to (i) define the optical‑front‑end and transimpedance‑amplifier (TIA) requirements for a dual‑polarisation‑optimised CV‑QKD protocol, (ii) validate the receiver interfaces with the QuNET CV‑QKD system, and (iii) explore higher‑order Stokes‑space encoding for polarisation‑multiplexed key generation. Initial work established detailed receiver specifications (voltage supply, data‑monitoring interface, footprint, electromagnetic susceptibility) and performed interface tests using commercial detectors. Spectral noise measurements demonstrated a linear noise floor and an appropriate quantum‑to‑classical‑noise ratio. Subsequent experiments with a polarisation‑diverse 90° hybrid in both fibre and free‑space links quantified polarisation drift, crosstalk, and the impact of co‑propagating DWDM channels, reproducing the conditions expected for the integrated DECODE receiver. The integrated module, developed within the project, exhibited an insufficient separation between quantum and electronic noise, precluding its deployment in the QuNET key experiment (SE4). This highlights the need for further optimisation of integrated detector noise performance in follow‑up studies. On the theoretical side, the project investigated higher‑order terms in Stokes‑space encoding, revealing novel hybrid commutation relations that may open new research directions on polarisation‑state quantum information processing.