[論文レビュー] Experimental Twin-Field Quantum Key Distribution Over 1000 km Fiber Distance

Yang Liu, Weijun Zhang+16 more|arXiv (Cornell University)|Mar 28, 2023

Quantum Information and Cryptography被引用数 10

ひとこと要約

ツインフィールドQKDをSNSプロトコルで1002 kmのファイバー上で実証し、漸近的領域で1パルスあたり9.53×10^-12、有限サイズ効果下の952 kmで1パルスあたり8.75×10^-12の安全鍵率を達成。

ABSTRACT

Quantum key distribution (QKD) aims to generate secure private keys shared by two remote parties. With its security being protected by principles of quantum mechanics, some technology challenges remain towards practical application of QKD. The major one is the distance limit, which is caused by the fact that a quantum signal cannot be amplified while the channel loss is exponential with the distance for photon transmission in optical fiber. Here using the 3-intensity sending-or-not-sending protocol with the actively-odd-parity-pairing method, we demonstrate a fiber-based twin-field QKD over 1002 km. In our experiment, we developed a dual-band phase estimation and ultra-low noise superconducting nanowire single-photon detectors to suppress the system noise to around 0.02 Hz. The secure key rate is $9.53 imes10^{-12}$ per pulse through 1002 km fiber in the asymptotic regime, and $8.75 imes10^{-12}$ per pulse at 952 km considering the finite size effect. Our work constitutes a critical step towards the future large-scale quantum network.

研究の動機と目的

• 従来の損失限界を超える長距離量子鍵配送を進展させる。
• 実用的な有限キー解析を伴う1000 kmファイバーでのSNS-TF-QKDを実証する。
• ハードウェアとポスト処理の革新を通じて系ノイズと伝送路損失を低減する。
• 将来の大規模量子ネットワークに向けたTF-QKDの実現可能性を示す。

提案手法

• 鍵長を改善するためにアクティブ奇偶ペアリングを用いた3強度SNS-TF-QKDを使用する。
• 高度なデコイ状態解析と有限キー公式を適用してn1'およびe1'phを推定する。
• リアルタイムフィードバックなしで位相雑音を抑制するためにデータ処理付きの二帯域位相安定化を採用する。
• 狭帯域フィルタとDBR共振器を備えた超低ノイズ超伝導ナノワイヤ単一光子検出器を用いて約0.02 Hzの暗計数を達成する。
• Charlieで超安定キャビティに固定された2つのレーザーを用いて干渉を測定し、時間多重化位相推定を行う。
• 有限サイズ補正を用いて送出パルス対あたりの鍵率 R を R = (1/N){n1'(1−H(e1'ph)) − f n_t' H(E_t')} として計算する。

Figure 1: Experimental Setup. In Charlie’s station, two lasers ( $\lambda_{1}$ =1548.51 nm and $\lambda_{2}$ =1550.12 nm) are frequency locked to an ultra-stable cavity, then combined, and distributed to Alice (Bob) via 450 km (450 km) single mode fiber spools. In Alice’s (Bob’s) station, $\lambda_{

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実用的な有限サイズ条件下で1000 km超のファイバーに対するSNS-TF-QKDで達成可能な鍵率はどれくらいか？
• RQ2 高度デコイ状態解析とAOPPが超長距離TF-QKDの秘密鍵率にどう影響するか？
• RQ3 データ処理を伴う二帯域位相安定化は位相ノイズを十分に抑制して長距離TF-QKDを可能にできるか？
• RQ4 超長距離TF-QKDにおける主要なノイズ源は何で、どのように緩和できるか？
• RQ5 実環境でTF-QKDは既知の境界（例：PLOB）にどれだけ近づくことができるか、または超えられるか？

主な発見

• 漸近的領域で1002 kmの分布距離を達成し、1パルスあたりの秘密鍵率は9.53×10^-12。
• 有限サイズ効果下で952 kmの分布距離を達成し、1パルスあたりの秘密鍵率は8.75×10^-12。
• 202 kmファイバーで47.06 kbpsの安全鍵率を達成（短距離最適化）。
• 二帯域位相安定化とポスト処理を用いて系ノイズを約0.02 Hzに抑制し、長距離TF-QKDを実現した。
• tested configurationsでファイバー距離が≥398 kmのとき、秘密鍵率が絶対PLOB境界を上回ることを実証した。

Figure 2: Dual-band stabilization with data post-processing. In the main figure, Blue: Free phase drift estimated with “strong phase reference” in 30 s period; Orange: Residual phase drift after simple compensation with Eq. ( 2 ); Red: Residual phase drift after fine compensation with Eq. ( 4 ); Ins