[論文レビュー] Experimental Demonstration of Underwater Decoy-state Quantum Key Distribution with All-optical Transmission

Yonghe Yu, Wendong Li+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 23被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、FPGA制御による偏光符号化BB84プロトコルを用いた完全に全光学的水中デコイ状態量子鍵配送（UWQKD）システムを提案し、10.4メートルのジェルローフタイプIII海水チャネルを介して安全な鍵交換を実現した。システムは13.26 dBの損失条件下で1.82 kbpsの安全鍵レートと1.55%の誤り率を達成し、シミュレーションでは最大23.7 dBの損失に耐えられることを示しており、これはクリーンな海水（ジェルローフタイプI）で300メートルの運用が可能であることを示唆している。

ABSTRACT

We demonstrate the underwater quantum key distribution (UWQKD) over a 10.4-meter Jerlov type III seawater channel by building a complete UWQKD system with all-optical transmission of quantum signals, synchronization signal and classical communication signal. The wavelength division multiplexing and the space-time-wavelength filtering technology are applied to ensure that the optical signals do not interfere with each other. The system is controlled by FPGA, and can be easily integrated into watertight cabins to perform field experiment. By using the decoy-state BB84 protocol with polarization encoding, we obtain a secure key rate of 1.82Kbps and an error rate of 1.55% at the attenuation of 13.26dB. We prove that the system can tolerate the channel loss up to 23.7dB, therefore may be used in the 300-meter-long Jerlov type I clean seawater channel.

研究の動機と目的

• 水中環境における電気ケーブルや電波通信に依存しない完全に全光学的なUWQKDシステムの開発を目的とする。
• 偏光符号化を用いたデコイ状態BB84プロトコルによる実用的な水中量子鍵配送の実証を目的とする。
• 防水水中キャビンに統合可能な、現場に即して設置可能なコンactなシステムで、リアルタイムでの安全鍵生成を実現することを目的とする。
• 信号干渉や高損失を含む現実的な水中チャネル条件下でのシステム性能の検証を目的とする。
• クリーンな海水（ジェルローフタイプI）で300メートルまでを想定したシミュレーションにより、長距離UWQKDの実現可能性を示すこと。

提案手法

• システムは、3強度デコイ状態符号化に8本の450 nmレーザーを用い、FPGA制御による20 MHz繰り返しレートと9.5 nsパルス幅の変調を実施する。
• 波長分割多重（WDM）により、ルミナスミラーを用いて量子信号（450 nm）、同期信号（520 nm）、古典的信号（488 nm）を1本の光路に統合する。
• 同期は5 MHz、30 nsの光パルスを用い、250 ps分解能のプログラマブルな遅延チップにより、FPGAでの量子信号と同期を取る。
• 空間的・時間的・波長的フィルタリングにより、量子信号、古典信号、同期信号の分離を確保し、水中チャネル内でのクロストークを最小限に抑える。
• FPGAベースの制御により、鍵の選別、タイミング制御、信号処理を実行する。アリスとボブ間の通信はすべて光通信であり、電気的または電波リンクを一切使用しない。
• 誤り訂正とプライバシー増幅はリアルタイムでLDPC符号化により実行され、補助情報は追加の相互作用なしに古典チャネルを介して送信される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全に全光学的なUWQKDシステムが、電気的または電波通信を一切使用せずに水中環境で信頼性を持って動作可能か？
• RQ2 このようなシステムが、実用的運用を想定したクリーンな海水で、最大どの程度のチャネル損失に耐えられるか？
• RQ3 現実の水中減衰および散乱条件下でも、低誤り率と高い安全鍵レートをどのように維持できるか？
• RQ4 FPGA制御により、最小限の後処理の相互作用でリアルタイムかつ現地での鍵生成が可能か？
• RQ5 特にジェルローフタイプI海水において、距離と損失の観点から、このシステムの性能限界は何か？

主な発見

• 10.4メートルのジェルローフタイプIII海水チャネル（13.26 dB損失）において、安全鍵レート1,823.4 bps（1.82 kbps）と誤り率1.55%を達成した。
• 量子状態トモグラフィーにより、偏光状態の高精度が確認され、全4状態（H, V, P, M）のフィデリティが0.99以上を維持した。
• チャネル損失に対する耐性は最大23.7 dBまで達成され、これは300メートルのジェルローフタイプI海水チャネルでの運用可能性を示唆している。
• ジェルローフタイプI海水を想定した300メートルのシミュレーションでは、LDPC誤り訂正を用いることで27.4 bpsの安全鍵レートが得られ、理想誤り訂正では最大219.2 bpsまで達成された。
• 1.7 Mbitsの選別済み鍵が得られた後、プライバシー増幅が実行されたが、1光子の送信を停止せずにリアルタイムでの鍵生成が成功した。
• 空間的・時間的・波長的フィルタリングの適用により、同じチャネル内での量子信号、古典信号、同期信号間のクロストークが効果的に抑制された。