Quantum Entanglement Distribution and Routing over an Operator’s Urban Fiber Infrastructure

Abstract

Diese Arbeit untersucht die Übertragung polarisationsverschränkter Photonen im O-Band über ein bereits existierendes Glasfasernetzwerk der Deutschen Telekom AG in Berlin. Im Folgenden werden die Einflüsse des dynamischen Wechseln der Übertragungsstrecken sowie das gleichzeitige Übertragen klassischer optischer Nachrichtensignale im C-Band analysiert. Im Gegensatz zu anderen Studien, die unter stabilen Laborbedingungen durchgeführt wurden, werden hier Experimente in einer realen Umgebung unter Verwendung einer großstädtischen Glasfaserinfrastruktur durchgeführt. Solche Glasfaserinfrastrukturen sind zusätzlichen Herausforderungen ausgesetzt. Durch Umwelteinflüsse wie mechanischen Stress und Temperaturschwankungen wird die Qualität der Übertragung verschränkter Photonen beeinträchtigt. Das primäre Ziel dieser Arbeit ist es, verschränkungsbasierte Quantenkommunikation trotz solch unvorhersehbarer Einflüsse anhand experimenteller Messungen zu demonstrieren. Die Experimente wurden in vier Phasen unterteilt, deren Ziel es war, dynamische Routing-Operationen zu realisieren und die Koexistenz von klassischen optischen Nachrichtensignalen und Quantensignalen auf derselben Glasfaser zu demonstrieren. Als Erstes wurden die verfügbaren Übertragungsfasern mittels optischer Zeitbereichsreflektometrie charakterisiert. Anschließend wurden polarisationskodierte verschränkte Photonen über das Netzwerkübertragen und mittels der Bellschen Ungleichung die Verschränkheit nachgewiesen. In der zweiten Phase wurde mithilfe eines steuerbaren optischen Schalters der Wechsel der Übertragungsstrecke analysiert. Eine Langzeitanalyse wurde unter verschiedensten Bedingungen über mehrere Stunden bzw. Tage durchgeführt. Abschließend wurde die Auswirkung von optischen Nachrichtensignalen im C-Band auf das Quantensignal im O-Band untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine quantenverschränkte Kommunikation über eine Distanz von bis zu 100 km in diesem Glasfasernetzwerk möglich ist. Die Experimente ermöglichten auch dynamische Routingprozess, unter der Verwendung von automatisierter Polarisationskompensation. Individuelle Streckenabhängige Polarisationsverschiebungen würden ansonsten manuelle Kalibrierungsroutinen für jeden Streckenwechsel erfordern. Die Langzeitanalyse bestätigt eine zuverlässige Detektion der Verschränkung über einen längeren Zeitraum. Die Koexistenz von Quantensignalen und klassischen optischen Nachrichtensignalen ist zwar möglich, jedoch beeinträchtigt dies die Detektion. Verschiedene Parameter für das klassische Signal, wie die optische Leistung und die spektrale Platzierung, beeinflussen die Messung der Verschränktheit. Die gewonnen Ergebnisse stellen einen bedeutenden Fortschritt zur Integration von Quantenkommunikationstechnologien in bestehende Telekommunikationsnetzwerke dar und tragen zur Vision eines zukünftigen Quanteninternets bei.

This thesis investigates the feasibility of distributing, routing, and multiplexing O-band polarization-entangled photons with C-band classical light over an urban field-deployed optical fiber network owned by Deutsche Telekom AG in Berlin. In contrast to other studies carried out under stable laboratory conditions, this work is conducted in a real-world environment using existing metropolitan optical fiber infrastructure. Such field-deployed optical fibers face additional challenges from environmental factors such as mechanical stress and temperature fluctuations, which can compromise the quality of the entanglement distribution. Therefore, this work demonstrates with practical measurements that entanglement-based quantum communication is still feasible in such an unpredictable environment.The experiments described along this text were divided into four phases. These aimed at achieving dynamic routing operations and at demonstrating the co-propagation of classical light and quantum signals. First, the available transmission distances were characterized by optical time-domain measurements. Then polarization-entangled photon pairs were distributed through fibers to obtain a measurable violation of the Bell inequality. Second, the impact of dynamic routing using a controllable optical switch was analyzed. A long-term analysis was conducted over several days by measuring the Bell parameter and fidelity under various path switching conditions. Finally, the influence of co-propagating C-band classical light on the O-band quantum signal was examined.The presented results show that robust quantum entanglement can be maintained up to a distance of 100 km over field-deployed fiber infrastructure. The experiment also validates a dynamic entanglement routing process with an automated polarization compensation mechanism. Furthermore, long-term evaluation over hours confirmed stable operation in an urban network scenario. Finally, the coexistence of quantum and classical light is possible,but it comes at the cost of reliably detecting entanglement. Various transmission parameters, such as optical power and spectral allocation, have different influences on entanglement measurements. The outcomes derived from this study represent a meaningful step toward the integration of quantum communication technologies into existing telecom networks and contribute to the vision of a future Quantum Internet.