Chinesisches Quantenschlüsselsystem toleriert starke Störungen und nutzt gemeinsam eine 150 Kilometer lange Glasfaser

Ein Experiment zur Quantensicherheit rückt näher an gewöhnliche Telekommunikationsnetze

Ein chinesisches Forschungsteam hat die Quantenschlüsselverteilung mit einer Störungstoleranz von 425 Kilohertz demonstriert und die gemeinsame Übertragung mit herkömmlicher optischer Kommunikation über 150 Kilometer Glasfaser getestet. Die Arbeit befasst sich mit einem praktischen Hindernis für quantensichere Netzwerke: Fragile Quantensignale müssen auch dann nutzbar bleiben, wenn sie auf die viel stärkeren Lichtsignale von Telekommunikationsgeräten treffen.

Das Team unter Leitung des Akademiemitglieds Guo Guangcan von der Universität für Wissenschaft und Technik in China arbeitete mit dem Henan Provincial Key Laboratory of Quantum Information and Quantum Cryptography sowie der Universität für Post und Telekommunikation Nanjing zusammen. Zu den beteiligten Forschenden gehören Han Zhengfu, Chen Wei, Yin Zhenqiang und Wang Shuang.

Ihre am 30. September 2026 von der American Physical Society veröffentlichte Arbeit in Physical Review Letters beschreibt ein System mit einer Wiederholfrequenz von 2,5 Gigahertz. Dem Bericht zufolge erzeugt das System auch bei einer Rauschzählrate von 425 Kilohertz sichere Schlüssel. Das liegt vier Größenordnungen über der Toleranz isolierter Systeme. Bei einer Kanalabschwächung von 30 Dezibel erreicht die Rate sicherer Schlüssel den Kilobit-pro-Sekunde-Bereich.

Diese Ergebnisse messen unterschiedliche Leistungsaspekte. Die Wiederholfrequenz gibt an, wie schnell das System arbeitet; die Rauschzählrate beschreibt unerwünschte Detektionsereignisse; und die Rate sicherer Schlüssel misst die nutzbare geheime Schlüsselmenge, die nach der Verarbeitung entsteht. Um die Aussage des Experiments richtig einzuordnen, müssen diese Werte getrennt betrachtet werden.

Der zentrale Fortschritt verbindet ein als Advantage Distillation bezeichnetes Verfahren mit schneller Signalcodierung und kompakten Halbleiterdetektoren. Statt Quantensignale ausschließlich vor Rauschen abzuschirmen, änderten die Forschenden auch die Verarbeitung verrauschter Schlüsseldaten.

Was wird abgesichert?

Die Quantenschlüsselverteilung, kurz QKD, ermöglicht es zwei Parteien, mithilfe von Quantenzuständen einen gemeinsamen geheimen Schlüssel zu erzeugen. Dieser Schlüssel kann anschließend für verschlüsselte Kommunikation verwendet werden. Das Experiment betrifft die Verteilung von Schlüsseln, nicht die Übertragung gewöhnlicher Nachrichten mit der Betriebsfrequenz des Systems von 2,5 Gigahertz.

Der Vorteil liegt in der informationstheoretischen Sicherheit: Unter den Annahmen des Protokolls hängt die Geheimhaltung nicht davon ab, dass ein Angreifer ein schwieriges mathematisches Problem nicht lösen kann. Anhand der Quantensignale und der während der Schlüsselgenerierung vorgenommenen Prüfungen können die Beteiligten beurteilen, ob sie aus ihren Messungen einen geheimen Schlüssel gewinnen können.

In der Studie kommt die sogenannte messgeräteunabhängige Quantenschlüsselverteilung zum Einsatz, meist als MDI-QKD abgekürzt. Ihre Sicherheit setzt kein Vertrauen in die Messgeräte voraus. Das ist wichtig, denn Detektoren können eine praktische Umsetzung andernfalls anfällig machen, selbst wenn das zugrunde liegende Quantenprotokoll sicher ist.

Das bedeutet nicht, dass alle Teile des Netzwerks ignoriert oder als sicher behandelt werden können. Die Signalpräparation und die übrigen Annahmen des Protokolls bleiben relevant. Der konkrete Vorteil besteht darin, dass die Messgeräte nicht vertrauenswürdig sein müssen und dennoch in einer anspruchsvollen optischen Umgebung geheime Schlüssel erzeugt werden können.

Warum Hintergrundlicht ein ernstes Hindernis ist

In der Quantenkommunikation kommen extrem schwache optische Signale zum Einsatz. Herkömmliche Telekommunikationsgeräte übertragen deutlich stärkere Signale, die durch nichtlineare Effekte in der Glasfaser zusätzliches Licht erzeugen können. Dieses unerwünschte Licht kann Detektionsereignisse verursachen, die nicht die beabsichtigte Quanteninformation darstellen.

Das Problem besteht nicht nur in einer verrauschten Verbindung. Enthalten die Messdaten zu viele Fehler oder zu wenig nutzbare Korrelation, können die Beteiligten möglicherweise keinen sicheren Schlüssel gewinnen. Ein System kann also optisch in Betrieb sein, ohne nutzbares geheimes Schlüsselmaterial zu liefern.

Bei Freiraumverbindungen entsteht eine ähnliche Herausforderung durch eine andere Quelle. Satellitenverbindungen und Plattformen wie Drohnen können starkem Umgebungslicht, darunter Sonnenlicht, ausgesetzt sein. Die Studie nennt solche Umgebungen als Grund für eine höhere Rauschtoleranz. Das beschriebene Experiment zur gemeinsamen Übertragung über 150 Kilometer wurde jedoch mit Glasfaser durchgeführt.

Filter helfen, unerwünschtes Licht abzuweisen, sind aber nur begrenzt wirksam. Sie können auch nützliche Signale ausfiltern und den Geräteaufwand erhöhen. Der Ansatz des Teams setzt sowohl auf der physikalischen als auch auf der Datenverarbeitungsebene an: Er verbindet rauscharme Detektion mit einem Verfahren, das aus verrauschteren Messdaten geheime Schlüssel gewinnen soll.

Wie Advantage Distillation die Berechnung verändert

Bei der Advantage Distillation werden Rohdaten des Schlüssels gruppenweise verarbeitet, um die Korrelationen zu verbessern, die für die Erzeugung geheimer Schlüssel genutzt werden können. Rohdaten sind die anfänglichen Aufzeichnungen, bevor die Beteiligten die Prüfungen und Verarbeitungsschritte abgeschlossen haben, die für einen nutzbaren geheimen Schlüssel erforderlich sind.

Das Prinzip ist die selektive Verarbeitung. Statt jedes Element des Rohschlüssels als gleichermaßen nützlich zu behandeln, nutzt das Verfahren Zusammenhänge innerhalb von Gruppen, um Daten zu behalten, die sich besser für die Erzeugung eines geheimen Schlüssels eignen. Beliebiges Rauschen wird dadurch nicht unschädlich, aber es kann länger möglich sein, unter verrauschten Bedingungen nutzbare Geheimhaltung zu erreichen.

Die Forschenden entwickelten für ihr System eine Behandlung der Advantage Distillation bei endlicher Schlüssellänge. Das trägt einem wichtigen praktischen Unterschied Rechnung: Experimente erfassen eine begrenzte Datenmenge, während idealisierte Berechnungen mit beliebig großen Datensätzen arbeiten können. Sicherheit und Leistung müssen die statistische Unsicherheit berücksichtigen, die bei einer endlichen Datenmenge entsteht.

Als Premiere wird die praktische Umsetzung von MDI-QKD auf Grundlage der Advantage Distillation bezeichnet, gestützt auf diese theoretische Arbeit und die experimentelle Hardware. Die Studie beansprucht nicht, dass die Advantage Distillation selbst erst in dieser Arbeit erfunden wurde.

Die Hardware ist wichtig, denn die Datenverarbeitung kann brauchbare Messungen nicht ersetzen. Die schnelle parallele Codierung stellt Quanteninformationen mit hoher Geschwindigkeit bereit, während kompakte Halbleiter-Einzelphotonendetektoren eine rauscharme Detektion ohne die sperrige, ressourcenintensive Detektionstechnik ermöglichen, die in der Arbeit erörtert wird.

Was die Leistungswerte tatsächlich aussagen

Die Rauschschwelle des Systems von 425 Kilohertz entspricht 425.000 Rauschzählungen pro Sekunde. Dem Bericht zufolge lassen sich auch bei dieser Rauschbelastung sichere Schlüssel erzeugen. Dabei handelt es sich um eine Detektionszählrate, nicht um ein Maß für die optische Leistung oder die Geschwindigkeit, mit der Nachrichten verschlüsselt werden können.

Vier Größenordnungen entsprechen dem Faktor 10.000. Der Vergleich der Studie beschreibt demnach eine sehr viel höhere Rauschtoleranz als bei den als Referenz verwendeten isolierten Systemen. Er ist nicht als allgemeines Leistungsverhältnis gegenüber jeder bestehenden QKD-Installation zu verstehen.

Die berichtete Verbesserung der Fähigkeit zur Erzeugung sicherer Schlüssel beträgt zwei Größenordnungen, also den Faktor 100. Das ist ein anderes Ergebnis als die um den Faktor 10.000 gesteigerte Rauschtoleranz. Der eine Wert beschreibt die Fähigkeit, sichere Schlüssel zu erzeugen; der andere, wie viel Rauschen das System verkraftet.

Mit 2,5 Gigahertz arbeitet das System mit 2,5 Milliarden Wiederholungen pro Sekunde. Die endgültige Ausgabe sicherer Schlüssel ist deutlich geringer, denn optische Verluste, erfolgreiche Messereignisse und die Sicherheitsverarbeitung bestimmen, wie viele nutzbare geheime Informationen übrig bleiben. Die Arbeit nennt bei einer Abschwächung von 30 Dezibel eine Ausgabe im Kilobit-pro-Sekunde-Bereich, aber in der Zusammenfassung keine genaue Rate.

30 Dezibel Verlust und 150 Kilometer gemeinsam genutzte Glasfaser

Eine Kanalabschwächung von 30 Dezibel bedeutet, dass die optische Leistung um den Faktor 1.000 sinkt. Nach der angegebenen Abschwächung verbleibt also ein Tausendstel der Eingangsleistung. Dass unter diesen Bedingungen sichere Schlüssel im Kilobit-pro-Sekunde-Bereich erzeugt werden, zeigt den Betrieb trotz erheblicher Signalverluste.

Bei einem separaten Koexistenzversuch wurde das Quantensystem mit optischen Kommunikationsgeräten der China Unicom verbunden. Die Quantenschlüsselverteilung und die herkömmliche optische Kommunikation wurden über dieselbe Glasfaserstrecke und über eine Distanz von 150 Kilometern übertragen. Diese Entfernung ist für Verbindungen zwischen Städten relevant.

Die gemeinsame Nutzung von Glasfasern ist ein praktischer Test, denn ein Quantennetzwerk kann nicht immer auf einer ausschließlich für schwache Quantensignale reservierten optischen Strecke aufbauen. Bei der Koexistenz kommt das System mit den Geräten und den stärkeren Lichtsignalen herkömmlicher Kommunikation in Kontakt.

Die veröffentlichte Zusammenfassung und die Versuchsbeschreibungen belegen die Rauschschwelle, die Schlüsselrate bei einer Abschwächung und die Länge der gemeinsam genutzten Glasfaserstrecke. Sie belegen nicht, dass die maximale Rauschbelastung, der angegebene Abschwächungswert und die Übertragung über 150 Kilometer gleichzeitig unter ein und denselben Betriebsbedingungen erreicht wurden. Werden sie als getrennte Messwerte behandelt, lässt sich das Ergebnis angemessen einordnen.

Veröffentlichungsdaten und Grenzen der Aussagen zum Einsatz

Die Forschungsergebnisse erschienen in Physical Review Letters, bevor später über die Zusammenarbeit und das Experiment mit China Unicom berichtet wurde. Die Veröffentlichungen erfolgten in dieser Reihenfolge:

• 30. September 2026: Die Arbeit erschien in Physical Review Letters. Sie berichtete über das 2,5-Gigahertz-System, eine Rauschtoleranz von 425 Kilohertz und die Erzeugung sicherer Schlüssel bei einer Abschwächung von 30 Dezibel.
• 9. Oktober 2026: Ein weiterer Bericht beschrieb die beteiligten Einrichtungen und den Versuch über 150 Kilometer gemeinsam genutzter Glasfaser mit Geräten von China Unicom.

Die Kombination aus kompakter Detektion, hoher Betriebsfrequenz, Toleranz gegenüber Hintergrundrauschen und Übertragung über gemeinsam genutzte Glasfasern erfüllt mehrere praktische Anforderungen zugleich. Die Fachpublikation stellt das System als Lösung für den Aufbau quantensicherer Netzwerke mit starker Sicherheit, nutzbarer Schlüsselausgabe und Widerstandsfähigkeit gegenüber Umgebungsrauschen dar.

Diese Schlussfolgerung geht über den Nachweis eines routinemäßigen kommerziellen Betriebs hinaus. Die berichteten Details nennen weder Gerätekosten noch die Dauer eines kontinuierlichen Betriebs, Wartungsanforderungen oder einen Zeitplan für den Netzausbau. Auch ein Versuch mit Satelliten oder Drohnen wird nicht belegt. Solche Umgebungen geben Anlass für die Forschung, doch der konkrete Nachweis der Koexistenz im Netzwerk betrifft Glasfaser.

Was sich dadurch für die praktische Quantenkommunikation ändert

Die Ergebnisse sind besonders relevant, weil Rauschtoleranz und Kompatibilität mit bestehender Infrastruktur im selben Forschungsprogramm untersucht wurden. Ein schnelles System, das auf eine isolierte Umgebung beschränkt ist, löst ein anderes Problem als eines, das Glasfasern mit herkömmlichen Kommunikationsgeräten gemeinsam nutzen kann.

Die Studie zeigt auch, warum die Betriebsfrequenz allein kein vollständiges Maß für den Fortschritt ist. Der praktische Nutzen hängt davon ab, ob sich die Geschwindigkeit auch nach Berücksichtigung von Verlusten, unerwünschten Detektionen und der Verarbeitung begrenzter Datenmengen in sichere Schlüssel umsetzen lässt. Das Verfahren der Advantage Distillation trägt dazu bei, den schnellen Hardwarebetrieb auch unter Rauschen in eine nutzbare Ausgabe zu überführen.

Der Versuch über 150 Kilometer zeigt konkret, wo diese Fortschritte relevant sein könnten: bei der Kommunikation zwischen Städten über gemeinsam genutzte optische Infrastruktur. Für eine nächste Einschätzung der Einsatzreife wären Betriebsdetails erforderlich, die in diesen Ergebnissen fehlen, darunter die Dauerleistung und die Kosten. Ein Termin für den Einsatz oder einen weiteren Test wird nicht genannt.

Wichtigste Punkte

• Die Universität für Wissenschaft und Technik in China und ihre Partner demonstrierten MDI-QKD mit Advantage Distillation und kompakten Halbleiterdetektoren.
• Das System arbeitet mit 2,5 Gigahertz und erzeugt auch bei einer Rauschzählrate von 425 Kilohertz sichere Schlüssel.
• Die berichtete Rauschtoleranz stieg gegenüber den genannten Referenzsystemen um vier Größenordnungen, also um den Faktor 10.000.
• Bei einer Kanalabschwächung von 30 Dezibel erreicht die Rate sicherer Schlüssel laut Arbeit den Kilobit-pro-Sekunde-Bereich.
• Bei einem separaten Versuch kamen optische Kommunikationsgeräte von China Unicom für eine Übertragung über 150 Kilometer gemeinsam genutzter Glasfaser zum Einsatz.
• Die Ergebnisse belegen weder einen routinemäßigen kommerziellen Betrieb noch einen Zeitplan für den Netzausbau oder eine demonstrierte Satellitenverbindung.