[論文レビュー] 600 km repeater-like quantum communications with dual-band stabilisation

Mirko Pittaluga, Mariella Minder+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2020

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、二つの異なる波長を用いて安定化信号と量子信号を分離することで、二重帯域位相安定化方式を、二重フィールド量子鍵配送（TF-QKD）に適用する。高出力リファレンスパルスに起因するレイリー散乱ノイズを排除することで、漸近的および有限サイズの状況下で、それぞれ605 kmおよび555 kmの安全鍵レートを達成し、長距離においてリピータに類似した性能を実現。従来の単一波長手法に比べ、長距離での鍵レートが100倍向上した。

ABSTRACT

Twin-field (TF) quantum key distribution (QKD) fundamentally alters the rate-distance relationship of QKD, offering the scaling of a single-node quantum repeater. Although recent experiments have demonstrated the new opportunities for secure long-distance communications allowed by TF-QKD, formidable challenges remain to unlock its true potential. Previous demonstrations have required intense stabilisation signals at the same wavelength as the quantum signals, thereby unavoidably generating Rayleigh scattering noise that limits the distance and bit rate. Here, we introduce a novel dual-band stabilisation scheme that overcomes past limitations and can be adapted to other phase-sensitive single-photon applications. Using two different optical wavelengths multiplexed together for channel stabilisation and protocol encoding, we develop a setup that provides repeater-like key rates over record communication distances of 555 km and 605 km in the finite-size and asymptotic regimes respectively, and increases the secure key rate at long distance by two orders of magnitude to values of practical significance.

研究の動機と目的

• 長距離二重フィールドQKDにおけるレイリー散乱ノイズの根本的限界を克服すること。これは、高出力の安定化信号と量子信号が同じ波長を使用する場合に生じる。
• 600 kmのファイバーを越えて位相ドリフトを安定化させることで、信号対ノイズ比を損なわずに実用的で長距離の量子鍵配送を可能にすること。
• 高出力リファレンス信号と低出力量子信号を分離する二波長安定化技術を開発し、システム性能と検出器のダイナミックレンジを向上させること。
• 実際の光ファイバー環境下で、有限サイズ状況下で555 km、漸近的状況下で605 kmのリピータに類似した鍵レートを実証すること。

提案手法

• 二重帯域安定化方式は、1本のファイバーに二つの光波長を multiplex する。1つは高出力位相リファレンス信号に、もう1つは量子信号に使用する。
• 高出力リファレンス信号がリアルタイムで位相ドリフトを安定化させ、残存ドリフトを1000倍以上低減することで、低出力量子信号による最終的な位相補正が可能になる。
• 二つの波長は独立したレーザーから生成され、波長分割 multiplex（WDM）を用いて分離され、レイリーバックスキャッタリングが量子信号を汚染することを防ぐ。
• 誤り訂正と量子ビット誤り率の床を排除するために、二方向古典通信（TWCC）プロトコルが使用される。これにより、長距離鍵配送が可能になる。
• 位相マッチングは、リファレンス信号を用いたアクティブフィードバックによって達成され、量子信号の検出は、安定化信号と同じ波長で行われるが、はるかに低い強度で実施される。
• この手法は、既存のTF-QKDプロトコル、特に送信あり・なし（SNS）変種と互換性があり、他の位相に敏感な単一光子応用へも応用可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 二波長安定化は、長距離TF-QKDシステムにおけるレイリー散乱ノイズを排除できるか？
• RQ2 二重帯域安定化アプローチを用いることで、600 kmのファイバーを越えて達成可能な最大の安全鍵レートは何か？
• RQ3 長距離において、二重帯域安定化は単一波長方式と比較して、鍵レートおよび誤り率の点でどのように異なるか？
• RQ4 二重帯域手法は、現在の509 km記録を上回る実用的量子鍵配送の範囲をどの程度まで拡張できるか？
• RQ5 有限サイズの実用的QKDシステムの範囲内で、二重帯域アプローチは高い鍵レートを維持できるか？

主な発見

• 本システムは、量子ファイバー555.172 kmで1.777 bit/sの安全鍵レートを達成し、類似距離での従来の単一波長手法に比べ100倍の鍵レート向上を実現した。
• 漸近的状況下では、605 kmで14.68 bit/sの安全鍵レートを示し、PLOB境界を63.4倍の要因で上回った。
• 二重帯域手法により、単一波長安定化と比較して位相ドリフトが1000倍以上低減され、600 kmのファイバーで安定した動作が可能になった。
• 二方向古典通信後にZ誤り率が1.22%に低下し、補正前の9.98%と比較して顕著に低減され、効果的な誤り低減が確認された。
• 漸近的状況下で、実際の安全鍵レートとPLOB境界の比が63.4に達し、ほぼ最適な性能を示した。
• 本手法により、605 kmの伝送が14.68 bit/sの鍵レートで実現され、TF-QKDにおけるリピータに類似した性能の新記録を樹立した。