Design hochperformanter CV-QKD-Module für den flexiblen Einsatz in quantensicheren optischen Metro- und Weitverkehrsnetzen (DE-QOR)

Abstract

Im Projekt DE-QOR wurden fortschrittliche Signalverarbeitungsalgorithmen und flexible Fehlerkorrekturverfahren für kontinuierlich-variable Quantenschlüsselverteilung (CV-QKD) entwickelt und demonstriert. Ein besonderer Fokus lag auf der Entwicklung skalierbarer, hardwarefreundlicher Informationsversöhnungsprotokolle, die unter realistischen Kanalbedingungen eine hohe Effizienz und Anpassungsfähigkeit ermöglichen. Ein zentrales Ergebnis war die Entwicklung und Optimierung rate-adaptiver LDPC-Codes auf Basis von Typ-basierten Protographen (TBP-RL), die speziell für den Einsatz in CV-QKD-Systemen mit variabler Kanalqualität konzipiert wurden. Diese Codes ermöglichen eine dynamische Anpassung der Code-Rate und zeigen eine robuste Leistung über einen breiten Bereich von Signal-Rausch-Verhältnissen. Ergänzt wurde dies durch die Implementierung multidimensionaler Versöhnung (MDR), die die effektive Nutzung binärer Fehlerkorrekturverfahren in CV-QKD erlaubt. Zur Unterstützung von Experimenten und Hardwaretests wurde eine leistungsfähige Open-Source-C++-Bibliothek entwickelt, die die vollständige Informationsversöhnung inklusive MDR und LDPC-Decodierung abbildet. Die Bibliothek wurde für niedrige SNRs optimiert und erlaubt eine effiziente Verarbeitung mit beschleunigten Lookup-Tabellen und flexibler Decoderarchitektur. Die entwickelten Verfahren wurden erfolgreich in Labor- und Feldtests eingesetzt, wobei KIT die Software-basierte Versöhnung bereitstellte, um die Hardwareergebnisse von ADVA zu validieren und die Systemparameter zu optimieren. Die Ergebnisse zeigen, dass die entwickelten Technologien einen wichtigen Beitrag zur Realisierung leistungsfähiger, anpassungsfähiger CV-QKD-Systeme leisten und die Grundlage für zukünftige Anwendungen in sicheren optischen Netzwerken bilden. Die Projektergebnisse wurden auf mehreren internationalen Konferenzen präsentiert und als Open-Source-Werkzeuge der Forschungsgemeinschaft zur Verfügung gestellt.