In einer neuen Studie zeigen Forscher von Orange und Toshiba Europe, dass sich sowohl ein Quantendatenkanal als auch klassische optische Signale in derselben Faser mehrere zehn Kilometer mit einer geringen Fehlerrate ausbreiten können. Der neue Ansatz könnte die Kosten für die Implementierung der Quantenschlüsselverteilung (QKD) für die sichere Datenübertragung senken, indem er die Verwendung von QKD in bereits implementierten Netzwerken ermöglicht.
Erwan Pincemin von der Orange Innovation Division in Frankreich wird die neue Forschung auf der Optical Fiber Communication Conference (OFC) vorstellen, die vom 5. bis 9. März 2023 in San Diego stattfindet.
Diese Arbeit zeigt, dass wir eine gemeinsame Ausbreitung des Quantenkanals mit WDM-Datenkanälen in derselben Faser haben können, ohne die technischen Regeln der operativen WDM-Verbindungen zu ändern. Die in dieser Konfiguration erzielte hohe geheime Schlüsselrate ist sehr vielversprechend für die Einführung von QKD in Netzen von Betreibern“, sagt Paulette Gavignet, Senior Expertin für optische Kommunikation bei Orange.
QKD nutzt die Quanteneigenschaften von Licht, um sichere Zufallsschlüssel zum Verschlüsseln und Entschlüsseln von Daten zu generieren. Obwohl dieser Ansatz eine äußerst sichere Methode zum Verschlüsseln von Daten bietet, wurde eine weit verbreitete Bereitstellung durch die Kosten und Einschränkungen bei der Umstellung bestehender Netzwerke auf QKD-fähige Systeme behindert. Versuche, Quantensignale über bestehende Fasernetzwerke zu übertragen, leiden normalerweise unter hohen Fehlerraten aufgrund von Streuung des sich mit ausbreitenden Lichts.
In der neuen Arbeit bewerteten Forscher der Division Orange Innovation in Frankreich und Toshiba Europe Ltd. im Vereinigten Königreich ein kommerzielles Multiplex-QKD-System, das von Toshiba entwickelt und gebaut wurde. Um die Auswirkungen der Streuung zu minimieren, verwendeten sie einen 1310-nm-Quantenkanal, um die spektrale Trennung zwischen dem Quantenkanal und dem QKD-Dienstkanal sowie den gemultiplexten Datenkanälen zu erhöhen. Sie fügten auch Spektralfilter mit hoher Extinktion und Zeitbereichs-Gating am QKD-Empfänger hinzu, um den Quantenkanal von den sich gemeinsam ausbreitenden Signalen und Streulicht zu isolieren, was das Signal-Rausch-Verhältnis verstärkte. Die Leistung jeder Kommunikationsverbindung wurde weiter optimiert, indem automatische Selbstoptimierungsroutinen verwendet wurden, die verschiedene optische Parameter dynamisch anpassen.
Die Forscher testeten das QKD-System, um festzustellen, ob es auf einer bereits im Feld eingesetzten Wellenlängenmultiplexverbindung (WDM) implementiert werden kann, und um festzustellen, wie viele WDM-Kanäle mit dem QKD-Signal in einer Standard-Singlemode-Faser gemischt werden können. Sie fanden heraus, dass die gemeinsame Ausbreitung eines QKD-Quantenkanals bei 1310 nm mit 60-Kanal-WDM bei 100 Gb/s eine Gesamtdatenrate von 6 Tb/s erzeugte. Außerdem war die Emission eines sicheren Schlüssels mit sehr hoher aggregierter Leistung sowohl für 50 km als auch für 70 km Faserlängen möglich. Diese Ergebnisse zeigen, dass ein kommerzielles QKD-System auf bestehenden, vollständig gefüllten WDM-Verbindungen mit 100-Gb/s- und 400-Gb/s-Kanälen in Rechenzentrums-Verbindungsanwendungen eingesetzt werden könnte.
Die neuen Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Anzahl der Kanäle und/oder die Gesamtbitrate, die sich gemeinsam mit dem Quantenkanal ausbreiten, nicht die besten Parameter zur Bewertung der Koexistenzfähigkeit von klassischen und QKD-Kanälen sind. Stattdessen war der wichtigste Parameter die WDM-Gesamtleistung, die sich gemeinsam mit dem Quantenkanal ausbreitet. Vor diesem Hintergrund schlugen die Forscher eine neue Gütezahl namens Co-Propagation-Effizienz vor, um die Leistung der Co-Propagation von klassischen und QKD-Signalen zu bewerten. Basierend auf dieser Metrik stellten sie fest, dass die neue QKD-Implementierung frühere Co-Propagation-Experimente übertraf.
Mehr Informationen:
Die Glasfaserkommunikationskonferenz 2023 (OFC): www.ofcconference.org/en-us/home/about/