Durch Fortschritte im Bereich der klassischen Computer und der Quantencomputer werden neue Angriffe auf die heute genutzten Verfahren der asymmetrischen Kryptographie möglich. Ein wichtiges Ziel der Cybersicherheitsforschung ist es daher, neue, zukunftsfähige Sicherheitslösungen zu entwickeln.

Quantenschlüsselaustausch (eng.: quantum key distribution, kurz QKD) ist eine Methode zur Verteilung symmetrischer digitaler kryptographischer Schlüssel zwischen zwei Nutzern basierend auf Prinzipien der Quantenphysik, welche den informationstheoretisch sicheren Austausch verschlüsselter Nachrichten ermöglicht. Grundlegende quantenphysikalische Prinzipien gewährleisten, dass jeder Versuch eines Dritten, eine Kopie des Schlüssels zu erhalten, von den QKD-Nutzern erkannt wird. Für viele Anwendungen sind sichere Verbindungen zwischen zwei Nutzern nicht ausreichend und es werden stattdessen größere QKD Netze für mehrere Nutzer benötigt. Auf dem Weg zu einem großflächigen Einsatz von QKD sind Laborexperimente unter kontrollierbaren Umgebungsbedingungen immer nur der erste Schritt. Tests der Systeme unter realistischen Betriebsbedingungen sind erforderlich, um ihre Zuverlässigkeit unter realistischen Einsatzbedingungen zu demonstrieren. Daher sind die Ziele der in dieser Arbeit vorgestellten Forschung die Entwicklung eines Multi-User-QKD-Netzwerks, die Demonstration seiner Zuverlässigkeit und Flexibilität in einem Feldtest und sowie die Entwicklung detaillierter Modelle dieses Systems, welche die relevanten Imperfektionen des Aufbaus berücksichtigen.

Das Multi-User-QKD-Netzwerk wurde als sternförmiges Netzwerk mit einem zentralen quantum key hub (q-hub) implementiert, der die gleichzeitige und unabhängige Verteilung von Quantenschlüsseln an mehrere Nutzerpaare über optische Fasern über Distanzen bis zu 100 km zwischen den Nutzern ermöglicht. Im Gegensatz zu anderen QKD-Netzwerken verwendet das q-hub System ein polarisationsunabhängiges QKD-Protokoll basierend auf quantenverschränkten Photonenpaaren in Kombination mit Wellenlängen-Demultiplexing, um robuste Schlüsselübertragungen zu ermöglichen. Das q-hub System ist daher gut zur Implementierung von QKD-Netzwerken in städtischen Gebieten oder für andere Anwendungsszenarien geeignet, bei denen die Glasfaserübertragungsstrecken dem Wetter oder Vibrationen ausgesetzt sind, was zu Polarisationsänderungen führen kann.

Im ersten Teil dieser Arbeit wird die Implementierung eines QKD-Netzwerks mit vier Nutzern vorgestellt und seine Leistungsfähigkeit evaluiert. Die QKD-Empfänger der Nutzer werden mit Hilfe einer neuen Methode zur Taktrückgewinnung aus den Ankunftszeiten der Photonen synchronisiert, wobei Genauigkeiten besser als 100 ps erzielt werden. Diese Methode ist zum Patent eingereicht. Die Kompaktheit und Flexibilität des QKD-Systems für reale Anwendungen wurden in einem Feldtest an einem Standort der Deutschen Telekom demonstriert. Dieser Feldtest war der erste Feldtest eines Multi-User-QKD-Netzwerks, das auf dem Bennett-Brassard-Mermin 1992 (BBM92) Time-Bin-QKD-Protokoll basiert. Ein mehr als drei Tage dauernder stabiler Schlüsselaustausch über Glasfaserlängen von mehr als 100 km zwischen zwei Nutzern wurde demonstriert. Von der Faserstrecke sind ca. 27 km im Feld verlegt. Dutzende von Nutzern könnten ohne weiteres an das Netzwerk angeschlossen werden, wenn die entsprechende Anzahl and QKD-Empfängern gebaut würde. Als erster Schritt zu einem noch kompakteren q-hub wurde ein integrierter photonischer Chip entworfen und die Erzeugung von Photonenpaaren mittels dieses Chips wurde demonstriert.

Im zweiten Teil dieser Arbeit werden detaillierte numerische Modellierungen des q-hub Systems vorgestellt. Eine neue Methode zur zeitabhängigen Detektortomographie mittels sogenannter positive operator-valued measures (POVMs) wird vorgestellt und zur Charakterisierung der im QKD-System verwendeten Detektoren verwendet.

Darüber hinaus wird eine allgemeine Methode für die photonenzahlaufgelöste Simulation von quantenoptischen Experimenten mit Gaußschen Multimode-Zuständen entwickelt. Ein wesentliches Ergebnis ist die Herleitung der erzeugenden Funktion für die Photonenstatistik, aus der die Photonenzahlverteilung sowie deren Momente und faktorielle Momente durch sogenanntes automatisches Differenzieren berechnet werden. Eine der Stärken dieser Simulationsmethode ist die Flexibilität, die es erlaubt, Effekte von verschiedenen Arten von Imperfektionen bei der Simulation verschiedenster quantenoptischer Aufbauten zu berücksichtigen.

Schließlich wird eine frequenzaufgelöste Simulation des QKD-Systems entwickelt, indem der Kovarianzformalismus der Gaußschen Zustände auf ein Kontinuum von Frequenzen verallgemeinert wird. Die Simulationsergebnisse stimmen in hohem Maße mit den Messungen überein und erlauben damit realistische Vorhersagen zur Leistungsfähigkeit des Systems. Die Simulation wird die Optimierung der Leistungsfähigkeit und die Reduktion der Kosten bei der Entwicklung zukünftiger QKD Systeme ermöglichen.