High-rate intercity quantum key distribution with a semiconductor single-photon source

Yang, Jingzhong; Jiang, Zenghui; Benthin, Frederik; Hanel, Joscha; Fandrich, Tom; Joos, Raphael; Bauer, Stephanie; Kolatschek, Sascha; Hreibi, Ali; Rugeramigabo, Eddy Patrick; Jetter, Michael; Portalupi, Simone Luca; Zopf, Michael; Michler, Peter; Kück, Stefan; Ding, Fei

doi:https://doi.org/10.1038/s41377-024-01488-0

Zugriffsnummer	52043
Dokumenttyp	Zeitschriftenartikel
Peer Review	mit Peer Review
Sprache	Englisch
Titel	High-rate intercity quantum key distribution with a semiconductor single-photon source
Autor(in); Institution	Yang, Jingzhong; Leibniz Universität Hannover, Institut für Festkörperphysik, Hannover, GERMANY Jiang, Zenghui; Leibniz Universität Hannover, Institut für Festkörperphysik, Hannover, GERMANY Benthin, Frederik; Leibniz Universität Hannover, Institut für Festkörperphysik, Hannover, GERMANY Hanel, Joscha; Leibniz Universität Hannover, Institut für Festkörperphysik, Hannover, GERMANY Fandrich, Tom; Leibniz Universität Hannover, Institut für Festkörperphysik, Hannover, GERMANY Joos, Raphael; Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen, Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST) and SCoPE, University of Stuttgart, Stuttgart, GERMANY Bauer, Stephanie; Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen, Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST) and SCoPE, University of Stuttgart, Stuttgart, GERMANY Kolatschek, Sascha; Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen, Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST) and SCoPE, University of Stuttgart, Stuttgart, GERMANY Hreibi, Ali; 4.5, Angewandte Radiometrie, PTB-Braunschweig Rugeramigabo, Eddy Patrick; Leibniz Universität Hannover, Institut für Festkörperphysik, Hannover, GERMANY Jetter, Michael; Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen, Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST) and SCoPE, University of Stuttgart, Stuttgart, GERMANY Portalupi, Simone Luca; Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen, Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST) and SCoPE, University of Stuttgart, Stuttgart, GERMANY Zopf, Michael; Leibniz Universität Hannover, Institut für Festkörperphysik, Hannover, GERMANY; Laboratorium für Nano- und Quantenengineering, Leibniz Universität Hannover, Hannover, GERMANY Michler, Peter; Institut für Halbleiteroptik und Funktionelle Grenzflächen, Center for Integrated Quantum Science and Technology (IQST) and SCoPE, University of Stuttgart, Stuttgart, GERMANY Kück, Stefan; 4, Optik, PTB-Braunschweig Ding, Fei; Leibniz Universität Hannover, Institut für Festkörperphysik, Hannover, GERMANY; Leibniz Universität Hannover, Laboratorium für Nano- und Quantenengineering, Hannover, GERMANY
Quelle/Jahr	Light: Science and Applications: 13 (2024), 1 - 10
Artikelnummer	150
Availability	[online only]
ISSN	2047-7538 (online)
DOI	https://doi.org/10.1038/s41377-024-01488-0
Verlag	London: Nature Publishing Group
Zusammenfassung	Quantum key distribution (QKD) enables the transmission of information that is secure against general attacks by eavesdroppers. The use of on-demand quantum light sources in QKD protocols is expected to help improve security and maximum tolerable loss. Semiconductor quantum dots (QDs) are a promising building block for quantum communication applications because of the deterministic emission of single photons with high brightness and low multiphoton contribution. Here we report on the first intercity QKD experiment using a bright deterministic single photon source. A BB84 protocol based on polarisation encoding is realised using the high-rate single photons in the telecommunication C-band emitted from a semiconductor QD embedded in a circular Bragg grating structure. Utilising the 79 km long link with 25.49 dB loss (equivalent to 130 km for the direct-connected optical fibre) between the German cities of Hannover and Braunschweig, a record-high secret key bits per pulse of 4.8 × 10^-5 with an average quantum bit error ratio of ˜ 0.65% are demonstrated. An asymptotic maximum tolerable loss of 28.11 dB is found, corresponding to a length of 144 km of standard telecommunication fibre. Deterministic semiconductor sources therefore challenge state-of-the-art QKD protocols and have the potential to excel in measurement device independent protocols and quantum repeater applications.

Kostenfreier Zugang	Open Access Gold
Rechteinformation	CC BY 4.0 ; Creative Commons Attribution 4.0 License

Forschungsprojekt	Open Access funding enabled and organized by Projekt DEAL. Funding by the German Federal Ministry of Education and Research (BMBF) within the project QR.X (16KISQ013 and 16KISQ015), SQuaD (16KISQ117) and SemIQON (13N16291), the European Research Council (QD-NOMS GA715770, MiNet GA101043851), European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme under Grant Agreement No. 899814 (Qurope), EMPIR programme co-financed by the Participating States and from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme (20FUN05 SEQUME), the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG, German Research Foundation) within the project InterSync (GZ: INST 187/880-1 AOBJ: 683478), and under Germany’s Excellence Strategy (EXC-2123) Quantum Frontiers (390837967), and Flexible Funds programme by Leibniz University Hannover (51410122).
Förderinformationen (1)	Förderername: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Förderer ID: 0000 0000 9090 0344 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: QR.X Förderungsnummer: 16KISQ013 ; 16KISQ015
Förderinformationen (2)	Förderername: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Förderer ID: 0000 0000 9090 0344 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: SQuaD Förderungsnummer: 16KISQ117
Förderinformationen (3)	Förderername: Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) Förderer ID: 0000 0000 9090 0344 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: SemIQON Förderungsnummer: 13N16291
Förderinformationen (4)	Förderername: European Research Council (ERC) Förderer ID: 0000 0000 8923 0953 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: QD-NOMS Förderungsnummer: GA715770
Förderinformationen (5)	Förderername: European Research Council (ERC) Förderer ID: 0000 0000 8923 0953 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: MiNet Förderungsnummer: GA101043851
Förderinformationen (6)	Förderername: European Union (EU) Förderer ID: 0000 0001 2375 4495 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: Horizon 2020 research and innovation programme Förderungsnummer: 899814 (Qurope)
Förderinformationen (7)	Förderername: European Commission (EC) Förderer ID: 0000 0001 2242 8989 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: EMPIR 2020 Fundamental Titel der Förderung: 20FUN05: SEQUME: Single- and entangled photon sources for quantum metrology Förderungsnummer: 20FUN05
Förderinformationen (8)	Förderername: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Förderer ID: 0000 0001 2096 9829 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: InterSync (GZ: INST 187/880-1 AOBJ: 683478)
Förderinformationen (9)	Förderername: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) Förderer ID: 0000 0001 2096 9829 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: Germany’s Excellence Strategy (EXC-2123) Quantum Frontiers Förderungsnummer: 390837967
Förderinformationen (10)	Förderername: Gottfried Wilhelm Leibniz Universität Hannover (LUH) Förderer ID: 0000 0001 2163 2777 Förderer ID Typ: ISNI Förderprogramm: Flexible Funds programme Förderungsnummer: 51410122

Zitierung

Yang, J., Jiang, Z., Benthin, F., Hanel, J., Fandrich, T., Joos, R., Bauer, S., Kolatschek, S., Hreibi, A., Rugeramigabo, E. P., Jetter, M., Portalupi, S. L., Zopf, M., Michler, P., Kück, S., & Ding, F. (2024). High-rate intercity quantum key distribution with a semiconductor single-photon source. Light: Science and Applications, 13, 1–10. https://doi.org/10.1038/s41377-024-01488-0

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