Light Sources for Quantum Key Distribution - Technology Overview and Future Applications

Quantum Key Distribution (QKD) enables an option for the secure transmission of confidential information and is considered a key technology for technological autonomy and sovereignty. Our technology roadmaps examine selected vital component technologies for quantum communication, in particular for QKD, and assess their innovation potential and key challenges for current and future use cases.
Since information in QKD is encoded in the quantum states of photons, light sources are essential components of QKD systems, which cansignificantly influence their performance Although most commercially available QKD systems currently rely on mature laser-based technologies, there remains considerable room for improvement and opportunities to adopt diverse, emerging light-source technologies. This study analyzes various light source technologies, including coherent sources, photon-pair generation through Spontaneous Parametric Down-Conversion (SPDC) and Four-Wave Mixing (FWM), as well as quantum dots and other deterministic sources. It covers the key performance indicators of these light source technologies, their application in QKD, their respective levels of technological maturity, and pathways to industrialization.

Quantenschlüsselverteilung (engl. Quantum Key Distribution, QKD) bietet eine Option zur sicheren Übermittlung vertraulicher Informationen und gilt als eine der Schlüsseltechnologien für die technologische Autonomie und Souveränität. Unsere Technologieroadmaps analysieren ausgewählte grundlegende Technologien für die Quantenkommunikation, insbesondere für QKD, sowie bewerten das Innovationspotenzial und die zentralen Herausforderungen für aktuelle und zukünftige Anwendungsfälle.
Da bei QKD Informationen in den Quantenzuständen von Photonen kodiert werden, sind Lichtquellen kritische Komponenten von QKD-Systemen und können deren Spezifikationen beeinflussen. Während kommerziell erhältliche QKD-Systeme überwiegend auf ausgereiften Lasertechnologien beruhen, besteht weiterhin erhebliches Verbesserungspotenzial sowie Chancen, verschiedene neuartige Lichtquellen-Technologien zu integrieren. Die Studie umfasst die Betrachtung von kohärenten Quellen, die Erzeugung von Photon-Paaren über spontane parametrische Abwärtskonversion (SPDC) und Four-Wave-Mixing (FWM), Quantenpunktquellen und andere deterministische Emitter. Die Studie erfasst verschiedene Lichtquellentechnologien, ihre wichtigsten Leistungsindikatoren, ihre Anwendung in QKD, die jeweiligen Technologiereifegrade und Wege zur Industrialisierung.