[論文レビュー] Continuous entanglement distribution over a transnational 248 km fibre link

Sebastian Philipp Neumann, Alexander Büchner+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用数 5

ひとこと要約

この論文は、オーストリアとスロバキアを結ぶ248 kmの国境を越えたファイバー回線において、偏光エンタングルド光子対の連続的で安定した分配を実証した。82時間にわたり86%の可視度を維持し、1秒間に9対のエンタングルド光子対を生成した。非局所的色分散補償と能動的偏光安定化を組み合わせることで、1.4ビット/秒の安全な鍵レートを達成する中で、途切れのない量子鍵配送を実現し、実用的で長距離の量子インターネットへの一歩を踏み出した。

ABSTRACT

Entanglement is the basis of many quantum applications. The technically most mature of them, quantum key distribution, harnesses quantum correlations of entangled photons to produce cryptographic keys of provably unbreakable security. A key challenge in this context is the establishment of continuously working, reliable long-distance distributions of entanglement. However, connections via satellites don't allow for interruption-free operation, and deployed fibre implementations have so far been limited to less than 100 km by losses, a few hours of duty time, or use trusted nodes. Here, we present a continuously working international link between Austria and Slovakia, directly distributing polarization-entangled photon pairs via 248 km of deployed telecommunication fibre. Despite 79 dB loss, we measure stable pair rates of 9 s$^{-1}$ over an exemplary operation time of 110 hours. We mitigate multi-pair detections with strict temporal filtering, enabled by nonlocal compensation of chromatic dispersion. Fully automatized active polarization stabilization keeps the entangled state's visibility at 86 % for altogether 82 hours, producing 403 kbit of quantum-secure key at a rate of 1.4 bits/s. Our work paves the way for low-maintenance, ultra-stable quantum communication over long distances, independent of cloud coverage and time of day, thus constituting an important step towards the quantum internet.

研究の動機と目的

• メトロポリタンなファイバーインfra構造上での、連続的かつ信頼性の高い長距離エンタングルド光子の分配を可能にすること。
• 従来のシステムの限界、例えば短い稼働時間、低い稼働率、信頼できるノードへの依存を克服すること。
• 天候や衛星の可用性に影響されない、248 kmの既設通信ファイバー上で中断のない安定した量子通信を実現すること。
• 既存の通信ネットワークへの統合に適した、完全自動化でメンテナンスが最小限のシステムを実現すること。
• ファイバー光インフラに基づくスケーラブルで国境を越えた量子インターネットの道筋をつけること。

提案手法

• オーストリアとスロバキアを結ぶ248 kmの既設通信ファイバー回線を用い、偏光エンタングルド光子対を送信した。
• 時間分解能を用いた非局所的色分散補償を適用し、パルスの広がりを低減し、正確な時間的フィルタリングを可能にした。
• 多重対検出イベントを抑制し、信号対雑音比を向上させるために、厳密な時間的フィルタリングを実施した。
• 環境条件の変化に応じてもエンタングルド状態の可視度を維持できる、完全自動化された能動的偏光安定化を採用した。
• 連続波ポンプ光源と自発的パラメトリック下変換を用いて、エンタングルド光子対を生成した。
• 110時間にわたる連続測定において、リアルタイムでシステムをモニタリングおよび制御し、安定した運用を確保した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 248 kmの国境を越えたファイバー回線で、偏光エンタングルド光子対を高い可視度と安定した鍵レートで連続的に分配できるか？
• RQ2 長距離ファイバーを用いたエンタングルメント分配において、多重対検出イベントを効果的に低減する方法は何か？
• RQ3 実世界のファイバー環境において、能動的偏光安定化が長時間にわたりエンタングルメントの忠実度を維持できる程度はどの程度か？
• RQ4 完全自動化されたシステムが、実装済みメトロポリタンファイバー網において数時間にわたって信頼性高く、途切れのなく動作できるか？
• RQ5 このような長距離で現実のファイバー回線を用いた場合、量子鍵配送で達成可能な安全な鍵レートはどの程度か？

主な発見

• 248 kmのファイバー回線（損失79 dB）で110時間にわたる連続運用において、安定したエンタングルド光子対生成レートが1秒間に9対に達した。
• 能動的偏光安定化により、82時間にわたり86%のエンタングルド状態可視度を維持した。これは高精度な量子状態保存を示している。
• 1.4ビット/秒の安全な量子鍵が生成され、測定期間中に合計403 kbitの鍵が生成された。
• 非局所的色分散補償により、効果的な時間的フィルタリングが可能になり、多重対検出イベントが低減され、信号品質が向上した。
• システムは中断なく連続して稼働し、環境変動やファイバーの不安定性に対しても耐性があることを示した。
• 結果として、天候や時間帯に左右されない、メンテナンスが最小限の長距離量子通信が、既存の通信ファイバーインフラ上で実現可能であることが確認された。