[論文レビュー] Field Experimental "Star Type" Metropolitan Quantum Key Distribution Network

Wei Chen, Zheng-F Han+11 more|ArXiv.org|Aug 27, 2007

Quantum Information and Cryptography参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、商用光ファイバーインfra構造を用いた、初めての実地応用型スターアーキテクチャのメトロポリタン量子鍵配布（QKD）ネットワークを提示する。4人のユーザー間で完全接続され、信頼ノードを必要としないQKDを実現した。量子ルーター（QR）により、自動的に量子信号をルーティング可能となり、32–42.6 kmの距離で最大平均QBERが8%未満の安全な鍵配布を実現した。

ABSTRACT

Quantum key distribution (QKD) network has recently attracted growing attentions. Due to the special characteristics of quantum information, to build a full-connectivity QKD network without trusted relays is a stimulating challenge. In this letter, we report on the first realization of QKD network without trusted relays which covers metropolis in the commercial backbone optical fiber networks. The star topology four-user QKD network automatically addresses the quantum signal with a quantum router (QR) and every user in the network can receive and distribute quantum keys to any others simultaneously. The longest and the shortest length of fibers between two geographically separated nodes are 42.6km and 32km respectively, and the maximum average quantum bit error rate (QBER) is below 8%. This result opens a new possibility for the use of QKD into existing network.

研究の動機と目的

• 既存の光ファイバーインfraを用いて、実際のメトロポリタン環境で完全接続かつ信頼ノードフリーのQKDネットワークを実証すること。
• 信頼ノードに依存せずに、複数ユーザー間でのスケーラブルかつ安全な鍵配布を実現する課題に取り組むこと。
• 実際の運用ネットワークにおいて、実用的距離の光ファイバーを用いたQKDの展開可能性を検証すること。
• 複数ユーザー間での動的量子信号ルーティングを管理する量子ルーター（QR）の性能を評価すること。
• メトロポリタンスケールの距離で、実環境の伝送条件下における量子ビット誤り率（QBER）および鍵生成レートを評価すること。

提案手法

• 商用単モードファイバーを用いて、メトロポリタン地域に位置する4ユーザーをスターアーキテクチャで接続し、中央に量子ルーター（QR）を配置したQKDネットワークを展開した。
• 信頼ノードを必要とせず、QRが任意のユーザー間ペア間で量子信号を自動的に検出およびルーティング可能であることを実現した。
• 鍵生成にBB84型QKDプロトコルを採用し、偏光符号化光子をファイバー回線を介して送信した。
• 各鍵交換セッションに対して最適ルートを選択するため、QRでアクティブルートスイッチングを実装した。
• 標準の通信グレード光学部品と波長分割多重（WDM）を用いて、同一ファイバー上に古典的データ通信と併用可能であることを実現した。
• 実環境条件下でのQBER、鍵レート、ネットワーク安定性を評価するために、32–42.6 kmのファイバー回線を用いた実地実験を実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 既存の光ファイバーインfraを用いて、実際のメトロポリタンスケール環境で完全接続かつ信頼ノードフリーのQKDネットワークを実用的に実装できるか？
• RQ2 複数ユーザー間での動的量子信号ルーティングにおいて、実環境条件下での量子ルーター（QR）の性能はどのように評価できるか？
• RQ3 実際のファイバー距離と環境ノイズを伴うメトロポリタンQKDネットワークで、達成可能な最大量子ビット誤り率（QBER）はどの程度か？
• RQ4 信頼ノードなしで、32–42.6 kmの商用単モードファイバーを介してQKD鍵配布をどの程度維持できるか？
• RQ5 メトロポリタンネットワークにおいて、同一ファイバー上にQKD信号と古典的データ通信を共存させ、顕著な干渉を引き起こさずに実現可能か？

主な発見

• 商用バックボーンファイバーインfraを用いたスターフォームのメトロポリタンQKDネットワークの初の実地実験が成功裏に実施された。
• 信頼ノードを必要とせず、4人のユーザー間で完全接続が実現され、量子ルーター（QR）が自動信号ルーティングを可能にした。
• 最長のファイバー回線は42.6 km、最短は32 kmであり、実用的メトロポリタン距離での実現可能性が示された。
• 全回線における最大平均量子ビット誤り率（QBER）は8%未満であり、実環境下での妥当なセキュリティと性能を示している。
• 長時間にわたり安定した鍵配布が維持されたことから、QRベースのルーティングメカニズムの頑健性が確認された。
• 既存の運用光ネットワークに大規模なインfra変更を加えずにQKDネットワークを展開可能であることが実証された。