Diese Arbeit präsentiert das erste vollautomatische, kompakte und zuverlässige Quantenkryptographie (Quantum Key Distribution - QKD) System auf Basis von verschränkten Photonen. Das System ist für die Integration in Standard 19-Zoll-Schränke konzipiert und arbeitet mit einer Wellenlänge von 1550nm für den optimalen Einsatz in Standard-Glasfasern. Mehrere neu entwickelte Stabilisierungs- und Automatisierungsmodule (u.a. Stabilisierung der Verschränkungsquelle, Stabilisierung der Polarisation in der Glasfaser und präzise Detektor-Synchronisation) sorgen für eine zuverlässige Verteilung von verschränkten Photonen. Das QKD System wurde in das europäische SECOQC (Development of a Global Network for Secure Communication based on Quantum Cryptography) Quantenkryptographie-Netzwerk integriert und im Oktober 2008 im Glasfaser-Netz von Siemens in Wien präsentiert. Während der zweiwöchigen Demonstration mit einer zwischen zwei Siemens-Standorten verlegten Glasfaser (16km, 4dB) konnte eine durchschnittliche Verschränkungs-Visibility von 93% erreicht werden. Über den gesamten Zeitraum hatten 99,9% aller Messwerte eine Visibility über 90%. Die hohe Qualität der Verschränkung ermöglicht die Implementierung des BBM92 Quantum Key Distribution Protokolls. Gemeinsam mit der SECOQC Infrastruktur ermöglicht dies die Integration eines praxistauglichen Quantenkryptographie-Systems. Während der zweiwöchigen Testphase konnte eine stabile Schlüsselerzeugungsrate von über 2000 bit/Sekunde mit einer QBER (Quantum Bit Error Rate) von 3.5% erreicht werden ohne manuell in das System eingreifen zu müssen. Im Labor konnte eine Übertragung bis zu 50km bei einer Schlüsselerzeugungsrate von 500 bit/Sekunde erzielt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, verschränkte Photonen in einem typischen innerstädtischen Glasfasernetzwerk mit hoher Qualität zuverlässig zu verteilen und für die Quantenkryptographie zu nutzen.
Diese Arbeit präsentiert das erste vollautomatische, kompakte und zuverlässige Quantenkryptographie (Quantum Key Distribution - QKD) System auf Basis von verschränkten Photonen. Das System ist für die Integration in Standard 19-Zoll-Schränke konzipiert und arbeitet mit einer Wellenlänge von 1550nm für den optimalen Einsatz in Standard-Glasfasern. Mehrere neu entwickelte Stabilisierungs- und Automatisierungsmodule (u.a. Stabilisierung der Verschränkungsquelle, Stabilisierung der Polarisation in der Glasfaser und präzise Detektor-Synchronisation) sorgen für eine zuverlässige Verteilung von verschränkten Photonen. Das QKD System wurde in das europäische SECOQC (Development of a Global Network for Secure Communication based on Quantum Cryptography) Quantenkryptographie-Netzwerk integriert und im Oktober 2008 im Glasfaser-Netz von Siemens in Wien präsentiert. Während der zweiwöchigen Demonstration mit einer zwischen zwei Siemens-Standorten verlegten Glasfaser (16km, 4dB) konnte eine durchschnittliche Verschränkungs-Visibility von 93% erreicht werden. Über den gesamten Zeitraum hatten 99,9% aller Messwerte eine Visibility über 90%. Die hohe Qualität der Verschränkung ermöglicht die Implementierung des BBM92 Quantum Key Distribution Protokolls. Gemeinsam mit der SECOQC Infrastruktur ermöglicht dies die Integration eines praxistauglichen Quantenkryptographie-Systems. Während der zweiwöchigen Testphase konnte eine stabile Schlüsselerzeugungsrate von über 2000 bit/Sekunde mit einer QBER (Quantum Bit Error Rate) von 3.5% erreicht werden ohne manuell in das System eingreifen zu müssen. Im Labor konnte eine Übertragung bis zu 50km bei einer Schlüsselerzeugungsrate von 500 bit/Sekunde erzielt werden. Die Ergebnisse zeigen, dass es möglich ist, verschränkte Photonen in einem typischen innerstädtischen Glasfasernetzwerk mit hoher Qualität zuverlässig zu verteilen und für die Quantenkryptographie zu nutzen.
Diese Arbeit repräsentiert ein Quantenkryptografie-System (auch QKD-System genannt), welches auf Verschränkung basiert für Glasfaserkabel des Telekommunikationsnetzes. Es verwendet zwei Einheiten Alice und Bob und einen QRNG (Quantum Zufallszahlengenerator). Dieser QRNG wird zur Anbindung an das Tokio QKD Netzwerk benötigt und für die „Privacy Amplification" des Systems. Die Alice Einheit beinhaltet eine Quelle für verschränkte Photonen und misst die 810nm Photonen dieser Quelle. Die 1550nm Photonen derselben Quelle wandern durch ein Glasfaserkabel eines Telekommunikationsnetzes in die Bob Einheit, wo diese dann gemessen werden. Das System läuft stabil über einen längeren Zeitraum durch die Verwendung von diversen automatisierten Stabilisations- und Optimierungsprozeduren. Dem System ist es auch möglich einige der neu gefundenen Side-Channel-Angriffe (gefunden von der Gruppe von Vadim Makarov) zu erkennen und zu verhindern. Des Weiteren wurde das System in das Tokio QKD Netzwerk zur Demonstration während der UQCC 2010 mit anderen QKD-Systemen integriert und erreichte dort eine stabile Schlüsselrate und QBER. Durch die Verwendung des Systems während der Demonstration im Tokio QKD Netzwerk hat sich herausgestellt, dass es möglich ist stabile Quantenkryptografie innerhalb von Städten (auch mittels verschränkten Photonen) zu betreiben. Allerdings lässt sich auch noch einiges in Richtung Quantenkryptografie erforschen, vor allem in Richtung Side-Channel-Angriffe und natürlich in Richtung höherer Schlüsselraten.
Die Quanteninformationstechnologie ist ein Schwerpunkt intensiver weltweiter Forschungsarbeit, da sie Lösungen für aktuelle globale Probleme verspricht. So bietet die Quantenkommunikation (QKD, engl. quantum key distribution) absolut abhörsichere Kommunikationsprotokolle und könnte, mit der Realisierung von Quantenrepeatern, auch über große Distanzen zum Einsatz kommen. Quantencomputer (engl. quantum computing) könnten von Nutzen sein, um sehr schwierige und komplexe mathematische Probleme schneller zu lösen. Ein grundlegender kritischer Baustein der gesamten halbleiterbasierten Quanteninformationsverarbeitung (QIP, engl. quantum information processing) ist die Bereitstellung von Proben, die einerseits die geforderten physikalischen Eigenschaften aufweisen und andererseits den Anforderungen der komplexen Messtechnik genügen, um die Quanteneigenschaften nachzuweisen und technologisch nutzbar machen zu können. In halbleiterbasierten Ansätzen haben sich Quantenpunkte als sehr vielversprechende Kandidaten für diese Experimente etabliert. Halbleiterquantenpunkte weisen große Ähnlichkeiten zu einzelnen Atomen auf, die sich durch diskrete Energieniveaus und diskrete Spektrallinien im Emissionsspektrum manifestieren, und zeichnen sich überdies als exzellente Emitter für einzelne und ununterscheidbare Photonen aus. Außerdem können mit Quantenpunkten zwei kritische Bausteine in der Quanteninformationstechnologie abgedeckt werden. So können stationäre Quantenbits (Qubits) in Form von Elektronenspinzuständen gespeichert werden und mittels Spin-Photon-Verschränkung weit entfernte stationäre Qubits über fliegende photonische Qubits verschränkt werden. Die Herstellung und Charakterisierung von quantenpunktbasierten Halbleiterproben, die sich durch definierte Eigenschaften für Experimente in der QIP auszeichnen, steht im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit. Die Basis für das Probenwachstum bildet dabei das Materialsystem von selbstorganisierten In(Ga)As-Quantenpunkten auf GaAs-Substraten. Die Herstellung der Quantenpunktproben mittels Molekularstrahlepitaxie ermöglicht höchste kristalline Qualitäten und bietet die Möglichkeit, die Quantenemitter in photonische Resonatoren zu integrieren. Dadurch kann die Lichtauskoppeleffizienz stark erhöht und die Emission durch Effekte der Licht-Materie-Wechselwirkung verstärkt werden. Vor diesem Hintergrund wurden in der vorliegenden Arbeit verschiedene In(Ga)As-Quantenpunktproben mit definierten Anforderungen mittels Molekularstrahlepitaxie hergestellt und deren morphologische und optische Eigenschaften untersucht. Für die Charakterisierung der Morphologie kamen Rasterelektronen- und Rasterkraftmikroskopie zum Einsatz. Die optischen Eigenschaften wurden mit Hilfe der Reflektions-, Photolumineszenz- und Resonanzfluoreszenz-Spektroskopie sowie Autokorrelationsmessungen zweiter Ordnung ermittelt. Der Experimentalteil der Arbeit ist in drei Kapitel unterteilt, deren Kerninhalte im Folgenden kurz wiedergegeben werden. Quasi-Planare Einzelphotonenquelle mit hoher Extraktionseffizienz: Planare quantenpunktbasierte Einzelphotonenquellen mit hoher Extraktionseffizienz sind für Experimente zur Spinmanipulation von herausragender Bedeutung. Elektronen- und Lochspins haben sich als gute Kandidaten erwiesen, um gezielt einzelne Elektronenspins zu initialisieren, manipulieren und zu messen. Ein einzelner Quantenpunkt muss einfach geladen sein, damit er im Voigt-Magnetfeld ein λ-System bilden kann, welches die grundlegende Konfiguration für Experimente dieser Art darstellt. Wichtig sind hier einerseits eine stabile Spinkonfiguration mit langer Kohärenzzeit und andererseits hohe Lichtauskoppeleffizienzen. Quantenpunkte in planaren Mikrokavitäten weisen größere Werte für die Spindephasierungszeit auf als Mikro- und Nanotürmchenresonatoren, dagegen ist bei planaren Proben die Lichtauskoppeleffizienz geringer. In diesem Kapitel wird eine quasi-planare quantenpunktbasierte Quelle für einzelne (g(2)(0)=0,023) und ununterscheidbare Photonen (g(2)indist (0)=0,17) mit hoher Reinheit vorgestellt. Die Quantenpunktemission weist eine sehr hohe Intensität und optische Qualität mit Halbwertsbreiten nahe der natürlichen Linienbreite auf. Die Auskoppeleffizienz wurde zu 42% für reine Einzelphotonenemission bestimmt und übersteigt damit die, für eine planare Resonatorstruktur erwartete, Extraktionseffizienz (33%) deutlich. Als Grund hierfür konnte die Kopplung der Photonenemission an Gallium-induzierte, Gauß-artige Defektstrukturen ausgemacht werden. Mithilfe morphologischer Untersuchungen und Simulationen wurde gezeigt, dass diese Defektkavitäten einerseits als Nukleationszentren für das Quantenpunktwachstum dienen und andererseits die Extraktion des emittierten Lichts der darunterliegenden Quantenpunkte durch Lichtbündelung verbessern. In weiterführenden Arbeiten konnte an dieser spezifischen Probe der fundamentale Effekt der Verschränkung von Elektronenspin und Photon nachgewiesen werden, der einen kritischen Baustein für halbleiterbasierte Quantenrepeater darstellt. Im Rahmen dieses Experiments war es möglich, die komplette Tomographie eines verschränkten Spin-Photon-Paares an einer halbleiterbasierten Spin-Photon Schnittstelle zu messen. Überdies konnte Zweiphotoneninterferenz und Ununterscheidbarkeit von Photonen aus zwei räumlich getrennten Quantenpunkten auf diesem Wafer gemessen werden, was ebenfalls einen kritischen Baustein für Quantenrepeater darstellt. Gekoppeltes Quantenfilm-Quantenpunkt System: Weitere Herausforderungen für optisch kontrollierte halbleiterbasierte Spin-Qubit-Systeme sind das schnelle und zerstörungsfreie Auslesen der Spin-Information sowie die Implementierung eines skalierbaren Ein-Qubit- und Zwei-Qubit-Gatters. Ein kürzlich veröffentlichtes theoretisches Konzept könnte hierzu einen eleganten Weg eröffnen: Hierbei wird die spinabhängige Austauschwechselwirkung zwischen einem Elektron-Spin in einem Quantenpunkt und einem Exziton-Polariton-Gas, welches in einem nahegelegenen Quantenfilm eingebettet ist, ausgenützt. So könnte die Spin-Information zerstörungsfrei ausgelesen werden und eine skalierbare Wechselwirkung zwischen zwei Qubits über größere Distanzen ermöglicht werden, da sich die Wellenfunktion von Exziton-Polaritonen, abhängig von der Güte des Mikroresonators, über mehrere μm ausdehnen kann. Dies und weitere mögliche Anwendungen machen das gekoppelte Quantenfilm-Quantenpunkt System sehr interessant, weshalb eine grundlegende experimentelle Untersuchung dieses Systems wünschenswert ist. In Zusammenarbeit mit der Arbeitsgruppe um Yoshihisa Yamamoto an der Universität Stanford, wurde hierzu ein konkretes Probendesign entwickelt und im Rahmen dieser Arbeit technologisch verwirklicht. Durch systematische epitaktische Optimierung ist es gelungen, ein gekoppeltes Quantenfilm-Quantenpunkt System erfolgreich in einen Mikroresonator zu implementierten. Das Exziton-Polariton-Gas konnte mittels eines Quantenfilms in starker Kopplung in einer Mikrokavität mit einer Rabi-Aufspaltung von VR=2,5 meV verwirklicht werden. Zudem konnten einfach geladene Quantenpunkte mit hoher optischer Qualität und klarem Einzelphotonencharakter (g(2)(0)=0,24) in unmittelbarer Nähe zum Quantenfilm gemessen werden. Positionierte Quantenpunkte: Für die Herstellung quantenpunktbasierter Einzelphotonenquellen mit hoher optischer Qualität ist eine skalierbare technologische Produktionsplattform wünschenswert. Dazu müssen einzelne Quantenpunkte positionierbar und somit deterministisch und skalierbar in Bauteile integriert werden können. Basierend auf zweidimensionalen, regelmäßig angeordneten und dadurch adressierbaren Quantenpunkten gibt es zudem ein Konzept, um ein skalierbares, optisch kontrolliertes Zwei-Qubit-Gatter zu realisieren. Das hier verfolgte Prinzip für die Positionierung von Quantenpunkten beruht auf der Verwendung von vorstrukturierten Substraten mit geätzten Nanolöchern, welche als Nukleationszentren für das Quantenpunktwachstum dienen. Durch eine optimierte Schichtstruktur und eine erhöhte Lichtauskopplung unter Verwendung eines dielektrischen Spiegels konnte erstmals Resonanzfluoreszenz an einem positionierten Quantenpunkt gemessen werden. In einem weiteren Optimierungsansatz konnte außerdem Emission von positionierten InGaAs Quantenpunkten auf GaAs Substrat bei 1,3 μm Telekommunikationswellenlänge erreicht werden.
Quanten Kryptographie oder genauer gesagt Quanten-Schluessel Verteilung (Quantum Key Distribution - QKD) ist die erste Anwendung der Quantentheorie die kurz davor steht den Sprung vom Experiment zur industriellen Verwertung zu schaffen. Ermoeglicht wurde diese Erfolgsgeschichte durch zahllose theoretische und experimentelle Arbeiten innerhalb der letzten 30 Jahre. Thema dieser Arbeit sind experimentelle Fortschritte der juengsten Zeit, QKD Protokolle und Attacken auf QKD sowie eine moegliche Integration dieser quantenbasierten Technologie in die 'klassische Welt'. Die groesste Herausforderung bei dieser Zusammenfuehrung ist in drei Bereichen zu finden, naemlich die unzureichende technische Ausgereiftheit der verwendeten Hardware, die das Gebiet des 'quanten Hackens' hervorgebracht hat, QKD ueber lange Distanzen (100km und mehr) und die Integration von QKD in bereits verlegte Backbone und Access Netzwerke. Zwar werden alle drei Gebiete in dieser Arbeit behandelt, neue Erkenntnisse werden zu den beiden letzteren eroertert, da das Ausnutzen von technischen Fehlern in Hardware im Prinzip nicht mehr als ein Wettlauf zwischen Hackern und Hersteller ist, der im Prinzip schon durch hardwareunabhaengige QKD Modelle geloest wurde. Als moeglicher Ansatz zum Ueberbruecken grosser Distanzen mit QKD Technologie bietet sich die satellitenbasierte Kommunikation zwischen entfernten Punkten auf der Erde an. Zu diesem Zweck stellt diese Arbeit zwei Generationen von Lithiumniobat Wellenleitern vor, die auf spontaner parametrischer Downconversion (SPDC) und Quasi Phasen Anpassung (QPS) zur Erzeugung verschraenkter Photonenpaare basiert. Das Ziel ist die Entwicklung einer autonomen, komplett integrierten Quelle polarisationsverschraenkter Photonen im C-Band. Verglichen mit anderen Quellen ist in diesem Fall der Herstellungsprozess des Wellenleiters sowie dessen Integration in fasergebundene Optik bei einem eingeschraenkten Formfaktor (< 0,5m 2) eine zusaetzliche Herausforderung. In einem nicht fasergebundenen Aufbau wurde fuer die erste Generation von Wellenleiter eine 'Visibility' von ueber 91% und eine 'spectrale Brightness' von 10 6 Paare /(s nm W) gemessen. Bei der zweiten Generation von Wellenleitern, komplett fasergebunden, wurde hingegen nur 75% 'Visibility' and 4 ∙10 3 Paare /(s nm W) 'spectrale Brightness' erreicht. Dieser wesentlich schlechtere Wert kommt von hohen Verlusten beim Uebergang von Kristall auf Faser und ruehrt vom Anbringen der Faser auf den Wellenleiter her. Das zweite grosse Thema dieser Arbeit ist die moegliche Integration von QKD in bereits bestehende Netzwerkinfrastruktur und der damit einhergehende Einfluss starker klassischer Datensignale auf die sehr schwachen Quantensignale. Trotz erarbeiteter Konzepte die es erlauben die klassischen Kanaele zu ueberbruecken und den Quantenkanal von diesen zu trennen, muessen Beeintraechtigungen durch nichtlineare Prozesse, ueberwiegend Ramanstreuung, beruecksichtigt werden, gerade wenn alle Kanaele ueber dieselbe Faser laufen, wie es in der sogenannten Single-Feeder Methode ueblich ist. Sensible Raman Messungen bis zur Energie von Einzelphotonen, durchgefuehrt an einem 20 Kanal DWDM Netzwerk, zeigen, dass sogar ueber 200nm weg von den klassischen Daten Kanaelen ca. 10 6 photonen / (s nm) erzeugt werden. Unsere Simulationen und experimentellen Daten ergaben weiterhin, dass ein Quantenkanal durchaus in passive optische Netzwerke integrierbar ist, wenn ausreichend spektraler Abstand sowie passende Wellenlaengen und zeitliche Filter verwendet werden, die es erlauben die einzelnen Photonen vom Hintergrund zu trennen. Diese Resultate wurden mit einer Quelle polarisationsverschraenkter Photonen gemessen, bestehend aus einem ppKTP Kristall in Sagnac Konfiguration, der Photonenpaare bei 589nm und im O-Band bei 1310nm erzeugt. Damit ist es gelungen eine full-duplex Punkt zu Punkt Verbindung ueber 13.2km aufzubauen bei der sowohl klassische Signale als auch Quantensignale ueber dieselbe Faser geschickt werden. Die Erkenntnisse die in dieser Arbeit praesentiert werden zeigen die Moeglichkeiten aber auch die Grenzen von QKD sowohl fuer die Uebertragung ueber weite Strecken durch satellitenbasierte Systeme als auch fuer die Integration in optische Netzwerke. Diese Arbeit wird mithelfen Standards fuer moegliche zukuenftige Entwicklungen im Bereich QKD zu setzen. Abgesehen von dieser Arbeit wurden die Ergebnisse im Journal Optics Express (2015), den SPIE Proceedings (2016) und der CLEO Europe Konferenz (2015) sowie anderen kleineren Konferenzen vorgestellt.
Quantennetzwerke bieten neue Möglichkeiten für sichere Kommunikation, verteiltes Quantencomputing und Präzisionssensoren. Eine Herausforderung beim Aufbau solcher Netzwerke besteht in der Verteilung von Photonen, die mit anderen Quantensystemen verschränkt sind, über große Entfernungen mittels optischer Glasfasern, die beispielsweise Städte und Länder durchqueren. Diese Arbeit befasst sich mit der Verschränkung zwischen dem elektronischen Zustand eines einzelnen gefangenen 40Ca+ Ions und der Polarisation eines Photons, das durch eine 17 km lange optische Glasfaser durch die Stadt Innsbruck und darüber hinaus übertragen wird. Die Glasfaser wird umfassend charakterisiert, wobei besonderes Augenmerk auf Veränderungen in der Polarisation des durch sie gesendeten Lichts gelegt wird. Ein zentraler Bestandteil dieser Arbeit ist die Kompensation der Polarisationsänderung des durch die Glasfaser gesendeten Lichts. Polarisierte Photonen, die von einem 40Ca+ Ion emittiert werden, werden durch die Glasfaser gesendet und ihre Polarisation wird analysiert. Schließlich werden Photonen, die mit einem 40Ca+ Ion verschränkt sind, durch die Glasfaser gesendet und der Ion-Photon-Zustand wird gemessen. Die höchste erreichte Wahrscheinlichkeit für die Erzeugung, Übertragung und Detektion von Photonen beträgt 0,00104(4). Die Güte des Ion-Photon-Verschränkungszustands in Bezug auf einen idealen Bell-Zustand erreicht bis zu 0,89(3), was beweist, dass der Ion-Photon-Zustand stark verschränkt ist. Diese Ergebnisse stellen einen wichtigen Schritt in Richtung der praktischen Umsetzung von Quantennetzwerken unter Verwendung gefangener Ionen und bestehender Glasfaserinfrastruktur dar.
Hochdimensionale Zeit-Bin-Verschränkung ist eine vielversprechende Ressource für Quantennetzwerke, da sie die Robustheit zeitlicher photonischer Kodierung mit der erhöhten Informationskapazität und Rauschtoleranz hochdimensionaler Quantenzustände verbindet. Im Vergleich zu konventionellen qubitbasierten Schemata kann hochdimensionale Verschränkung die pro detektiertem Photonenpaar übertragene Information erhöhen und die Leistungsfähigkeit in den verlust- und rauschbegrenzten Regimen verbessern, die für Quantenkommunikation über große Distanzen relevant sind. Die Zeit-Bin-Kodierung ist besonders attraktiv, da sie mit derÜbertragung in optischen Fasern und Freiraumkanälen kompatibel ist, während derPropagation keine Polarisationsstabilität erfordert und sich mit ausgereiften photonischen und interferometrischen Technologien implementieren lässt. Die praktische Nutzung wird jedoch durch die Schwierigkeit skalierbarer Messungen sowie durch die Notwendigkeit systematischer Optimierung zeitlicher Kodierung unterrealistischen experimentellen Bedingungen eingeschränkt.Diese Dissertation entwickelt einen Rahmen für die Erzeugung, Messung, Analyse und Verteilung hochdimensionaler Zeit-Bin-Verschränkung für Quantennetzwerke. Die Arbeit verwendet eine skalierbare Messarchitektur, die auf einem einzel-nen unbalancierten Interferometer basiert, das Kohärenzen zwischen benachbarten Zeit-Bins sondiert und dadurch lange oder kaskadierte Interferometer vermeidet,die bei hoher Dimension zunehmend instabil werden. Mit faserintegrierten Komponenten implementiert, stellt dieser Ansatz eine netzwerkkompatible Plattform für hochdimensionale Quantenkommunikation bereit. Innerhalb dieses Rahmens werden kontinuierlich gepumpte und gepulste Quellen spontaner parametrischer Abwärtskonversion untersucht, um zu bestimmen, wie Quellcharakteristika, zeitlicher Detektorjitter und zeitliche Diskretisierung gemeinsam die Qualität der Verschränkung bestimmen.Ein zentrales Ergebnis ist, dass die zeitliche Diskretisierung nicht lediglich ein nachgelagerter Verarbeitungsschritt ist, sondern ein definierendes Element des physikalischen Protokolls darstellt. Die Zeit-Bin-Breite, die Frame-Konstruktion und die zeitliche Filterung beeinflussen direkt den Erhalt von Koinzidenzen, die Messvisibilität, die Qualität der Verschränkung und die sichere Kommunikationsrate. Um dies zu adressieren, werden sequentielle Zeit-Bin-Frames mit Guard-Window-Filterung eingeführt und systematisch analysiert. Für die kontinuierlich gepumpte Quelle ist ein von null verschiedenes Guard Window erforderlich, umdurch Jitter verursachte Fehlzuordnungen von Zeit-Bins zu unterdrücken und die Leistungsfähigkeit zu maximieren. Für die gepulste Quelle reduziert die durch den Pump definierte zeitliche Struktur bereits Randfehler, wodurch die Leistungsfähigkeit weniger empfindlich gegenüber der Dauer des Guard Windows wird. In beiden Fällen verbessert eine Erhöhung der Kodierungsdimension die pro detektiertem Photonenpaar gewonnene Information, wobei Dimensionen bis zu d = 64klare Vorteile gegenüber qubitbasierter Kodierung bieten.Um dieses Verhalten zu erklären und vorherzusagen, wird ein einheitliches,dimensionsunabhängiges Modell entwickelt, das das Emissionsprofil der Quelle mit der experimentell gemessenen zeitlichen Antwort der Detektoren kombiniert.Das Modell reproduziert die beobachteten Einzelzählraten, Koinzidenzwahrscheinlichkeiten und Visibilitäten sowohl für kontinuierlich gepumpten als auch für gepulsten Betrieb auf wenige Prozent genau und ermöglicht eine a priori-Optimierungder Diskretisierungs- und Filterparameter. Dies stellt ein prädiktives Werkzeugbereit, um hochdimensionale zeitliche Kodierung an unterschiedliche Betriebsbedingungen anzupassen, anstatt sich nur auf empirische Feinabstimmung zu stützen.Im Hinblick auf feldimplementierbare hochdimensionale Quantenkommunikation untersucht diese Dissertation außerdem, wie zeitliche Kodierung unter realistischen Kanalverlusten optimiert werden sollte. Unter Verwendung einer kontinuierlich gepumpten SPDC-Quelle und unbalancierter interferometrischer Messungen werden Quellhelligkeit, Kodierungsdimension und zeitliches Guard Window gemeinsam anhand experimentell gemessener Koinzidenzstatistiken optimiert. Über einen programmierbaren Verlustdurchlauf hinweg werden 270 Parameterkonfigurationen ausgewertet, indem Pumpstrom, Dimension und Guard-Window-Dauer variiert werden. Die Ergebnisse zeigen unterschiedliche verlustabhängige Regime: Bei geringerem Verlust liefert hochdimensionale Kodierung den dominanten Gewinn und das Optimum bevorzugt größere Dimensionen wie d = 32, während sich das Optimum bei höherem Verlust zu hellerem Betrieb, kleineren Dimensionen undendlichen Guard Windows verschiebt, die zeitbezogene Fehler unterdrücken.Mit diesen verlustadaptiven Betriebspunkten wird hochdimensionale Zeit-Bin-Verschränkung über Faserspulenverbindungen großer Distanz mit komponierbarersicherer Schlüsselratenauswertung verteilt. Für die 100 km-Konfiguration erreicht der vollständig optimierte Betriebspunkt eine Schlüsselrate von 8.64 × 103 Hz beid = 32 und g = 10 ps und übertrifft die beste pumpoptimierte Qubit-Referenz ohne Guard-Window-Filterung um einen Faktor von 3.72. Für die 150 km-Konfiguration,mit Kanalverlusten nahe 36 dB, verschiebt sich das Optimum zu d = 4 undg = 10 ps, ergibt 4.1×102 Hz und eine Verbesserung um den Faktor 7.45 gegenüber der entsprechenden Qubit-Referenz. Diese Ergebnisse etablieren verlustoptimiertezeitliche Kodierung als einen praktikablen Weg zur Verteilung hochdimensionaler Verschränkung über große Distanzen und zur sicheren Quantenkommunikation unter realistischen Netzwerkbedingungen.Insgesamt etabliert diese Dissertation hochdimensionale Zeit-Bin-Verschränkung als eine praktische und skalierbare Ressource für Quantennetzwerke. Sie stellt Werkzeuge für den Entwurf netzwerkkompatibler zeitlicher Kodierungsschemata bereit, zeigt, wie quellenabhängige und verlustabhängige Optimierung die Leistungsfähigkeit signifikant verbessern kann, und demonstriert, dass hochdimension-ale Zeit-Bin-Verschränkung mit komponierbarer Sicherheit über lange Faserverbindun-gen verteilt und genutzt werden kann. Diese Ergebnisse tragen zu robusten photonischen Quantennetzwerken bei, in denen hochdimensionale zeitliche Kodierungsichere Kommunikation, Verschränkungsverteilung und vernetzte Quanteninformationsverarbeitung unterstützen kann.
Klassische Kryptographie beruht auf der rechnerischen Schwierigkeit bestimmter Probleme, doch Fortschritte im Quantencomputing gefährden diese Annahmen. Der Quantenschlüsselaustausch (Quantum Key Distribution - QKD) nutzt die Prinzipien der Quantenmechanik und ermöglicht es zwei räumlich getrennten Parteien, einen gemeinsamen geheimen Schlüssel mit informationstheoretischer Sicherheit zu erzeugen, selbst gegenüber Angreifer*innen mit unbegrenzter Rechenleistung. In QKD sind Annahmen über Messgeräte und Quantenzustandsquellen zentral für die Sicherheitsanalyse und bestimmen verschiedene Familien von Protokollen. Geräteunabhängige QKD (Device Independent QKD - DI-QKD) bietet das höchste Sicherheitsniveau: Weder Geräte noch Quellen müssen vertrauenswürdig sein und könnten sogar von einer Angreifer*in kontrolliert werden. In diesem Kontext beruht die Sicherheit auf der Beobachtung starker Quantenkorrelationen, die sich durch die Verletzung einer Bell-Ungleichung manifestieren. Die Berechnung der Schlüsselrate, welche die Effizienz der Schlüsselgenerierung beschreibt, beinhaltet eine Optimierung über alle Messungen und Quantenzustände beliebiger Hilbertraumdimension, die mit der beobachteten Verletzung einer Bell Ungleichung konsistent sind. Für Bell Ungleichungen mit zwei Messeinstellungen und zwei Messergebnissen pro Partei, wie die CHSH-Ungleichung, lässt sich diese Optimierung auf Qubits beschränken, was analytische Lösungen für die Schlüsselrate ermöglicht. In dieser Arbeit untersuchen wir diesen Ansatz im Detail mit dem Ziel, ihn auf Bell-Ungleichungen mit drei Messergebnissen zu übertragen, wobei angenommen wird, dass Alice und Bob einen Zwei-Qutrit-Zustand teilen. Während diese Einschränkung den DI-Anspruch abschwächt, ist dieses Setting dennoch von Interesse, da es trotzdem Einblicke in höherdimensionale DI-QKD über numerische Resultate hinaus liefern und Intuition darüber geben könnte, ob höhere Dimensionen eine größere Rauschtoleranz ermöglichen.