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

Die Quantenschlusselverteilung (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, namlich Puls-Positionsmodulation (PPM) im Zeitbereich und Frequenzumtastung (FSK) im Frequenzbereich als die beiden komplementaren Basen verwendet. Seine Sicherheit beruht den Quanteneigenschaften von Licht und auf der Zeit-Frequenz-Unscharferelation. TF-QKD kann mit grostenteils Standard-Telekommunikationstechnologie im 1550-nm-Band implementiert werden. Die PPM-Basis kann mit Modulatoren und die FSK-Basis mit Hilfe der Wellenlangenmultiplex-Technologie realisiert werden. Das TF-QKD-Protokoll ist in der Lage, ein beliebig groses Alphabet bereitzustellen, was mehr als 1 bit/Photon ermoglicht. Daruber hinaus ist es robust gegenuber athmospharischen Storungen und somit fur die Ubertragung uber den Freiraumkanal geeignet. In der vorliegenden Arbeit wird das TF-QKD-Protokoll theoretisch bewertet, mit Standardkomponenten fur 1 bit/Photon implementiert und die Freiraumubertragung mit optischem Tracking uber eine 388 m Teststrecke wird bei Tageslicht demonstriert. Unter Verwendung der vorhandenen Komponenten konnte eine sichere Schlusselrate von 364 kbit/s back-to-back und 9 kbit/s uber 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.