[論文レビュー] Free-space quantum key distribution to a moving receiver

Jean‐Philippe Bourgoin, Brendon L. Higgins+6 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 39被引用数 44

ひとこと要約

本論文は、低軌道衛星を模倣した移動受信機への自由空間量子鍵配送（QKD）の初の実証を示している。リアルタイムでのビーム指向、偏光、飛行時間補正を用いて、動的リンクにおいて漸近的セキュア・キーレートが秒速40ビットに達し、衛星ベースのQKDにおける移動プラットフォームの実現可能性が裏付けられた。

ABSTRACT

Technological realities limit terrestrial quantum key distribution (QKD) to single-link distances of a few hundred kilometers. One promising avenue for global-scale quantum communication networks is to use low-Earth-orbit satellites. Here we report the first demonstration of QKD from a stationary transmitter to a receiver platform traveling at an angular speed equivalent to a 600 km altitude satellite, located on a moving truck. We overcome the challenges of actively correcting beam pointing, photon polarization and time-of-flight. Our system generates an asymptotic secure key at 40 bits/s.

研究の動機と目的

• 静止した送信源と移動受信機プラットフォーム間での量子鍵配送（QKD）の実現可能性を実証すること。
• 自由空間QKDにおける動的ビーム指向、偏光ドリフト、飛行時間変動の課題を克服すること。
• 低軌道衛星の運動を模倣した移動受信機を用いた地上から衛星へのQKDの実現可能性を検証すること。
• 高いチャネル損失を伴う現実的な動的条件下で、漸近的にセキュアなキーゲネレーティングを達成すること。

提案手法

• 1550 nmの単一光子源と自由空間光リンクを備えた静止型BB84デコイ状態QKDシステムを用いた。
• 偏光追跡システムからのフィードバックを用いて、ビーム指向、偏光状態、飛行時間のリアルタイムアクティブ補正を実装した。
• 自作の指向システムにより、600 km高度の衛星に相当する角速度で移動するトラックと光学的整合性を維持した。
• 後処理には、低密度パリティ検査符号を用いた誤り訂正と、縮小トープリッツ行列二重一様ハッシュを用いたプライバシー強化を実施した。
• 信号対雑音比を向上させ、QBERを低減するために、0.16 nsの一致ウィンドウを用いた。
• 光源の不完全性のモデル化により、スパontaneous four-wave mixing結晶の非効率性と変調器の位相ずれが、内在的QBERの主な要因であることが特定された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低軌道衛星の角速度と同等の速度で移動する受信機と、QKDを正常に確立できるか？
• RQ2 動的指向、偏光、タイミングの変動に対応するため、どの程度のリアルタイム補正が必要か？
• RQ3 光源の内在的QBERが、移動型QKDシステムにおけるセキュアキーレートと有限サイズキーエクストラクションに与える影響はいかほどか？
• RQ4 結晶効率の不均衡や変調器の位相誤差といったシステムの不完全性が、QKD性能にどの程度悪影響を及えるか？

主な発見

• 4秒間のリンク期間において、測定されたQBERが6.55%の条件下で、漸近的セキュアキーレートが秒速40ビットに達した。
• 11,477ビットの生キーデータを後処理した結果、5,844ビットのシフティングキーデータと160ビットのセキュアキーデータが得られ、有限サイズ効果を除いて算出された。
• モデル化により、内在的QBERは主に91%の状態純度と94%の忠実度に起因し、二つのSFG結晶間で2対1の効率不均衡が原因であることが判明した。
• 測定されたシステム損失は30.6 dBであり、単一光子のQBER上限は5.85%であった。
• 有限サイズ統計の検証において、10標準偏差の信頼水準でセキュアキーデータを抽出するには、約13,210秒のデータ収集が必要であると確認された。
• 光源QBERの低減や第二段階の微調整指向機構の追加により、より高いキーレートと長距離QKDが、移動プラットフォームを用いて実現可能になる可能性がある。