Photon Detectors for Quantum Key Distribution - Technology Overview and Future Perspectives

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.
Single-photon detectors are the decisive component in discrete-variable QKD (DV-QKD), as their performance directly limits the secure key rate, maximum distance, and robustness against noise across fiber, free-space, and satellite links. This report focuses on Silicon Single-Photon Avalanche Diodes (Si-SPADs), Indium Gallium Arsenide/Indium Phosphide SPADs (InGaAs/InP-SPADs), and Superconducting Nanowire Single-Photon Detectors (SNSPDs). The study examines the current status, advantages and disadvantages of each technology for different QKD application scenarios. It also identifies key performance indicators, highlights challenges in technology and market adoption, and presents a roadmap for technological development from 2025 to beyond 2040.

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.
Einzelphotonen-Detektoren stellen mit Hinblick auf die Systemperformance aktuell die wohl wichtigste Komponente bei DV-QKD (engl. discrete-variable QKD) dar, da sie direkt die erreichbare sichere Schlüsselrate, die maximale Distanz und die Robustheit gegenüber Rauschen in Glasfaser-, Freistrahl- und Satellitenverbindungen beeinflussen. Der Schwerpunkt des Berichts liegt auf Einzelphotonen-Avalanche-Photodioden (SPADs) auf Basis von Silizium (Si-SPADs), SPADs auf Basis von Indium-Gallium-Arsenid/Indium-Phosphid (InGaAs/InP-SPADs) und supraleitenden Nanodraht-Einzelphotonen-Detektoren (SNSPDs). Die Studie untersucht den aktuellen Stand, die Vor- und Nachteile jeder Technologie für verschiedene Anwendungsszenarien der QKD, identifiziert zentrale Leistungsindikatoren sowie Herausforderungen bei der Technologie- und Markteinführung und bietet eine Roadmap für die technologische Entwicklung von 2025 bis über 2040 hinaus.