[論文レビュー] Fully automated entanglement-based quantum cryptography system for telecom fiber networks

Alexander Treiber, Andreas Poppe+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2009

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 26

ひとこと要約

本論文は、通信ファイバー網向けに1550 nmで動作する完全自動化・コンact・ポータブルなエンタングルメントベースの量子鍵配送（QKD）システムを提案する。スピンパラメトリックダウンコンersionを用いて生成された偏光エンタングルド光子対と高度な安定化モジュールを用い、2週間にわたる継続的かつ手動操作なしの運用で、16 kmの展開済みファイバーを介して2000 bit/sの鍵生成を達成。平均エンタングルメント可視度は93%、QBERは3.5%を記録した。

ABSTRACT

We present a quantum key distribution (QKD) system based on polarisation entanglement for use in telecom fibers. A QKD exchange up to 50km was demonstrated in the laboratory with a secure key rate of 550 bit/s. The system is compact, portable with a fully automated start-up and stabilisation modules for polarisation, synchronisation and photon coupling allow a hands-off operation. Stable and reliable key exchange in a deployed optical fiber of 16km length was demonstrated. In this fiber network we achieved over two weeks an automatic key generation with an average key rate of 2000 bit/s without manual intervention. During this period, the system had an average entanglement visibility of 93%, highlighting the technical level and stability achieved for entanglement-based quantum cryptography.

研究の動機と目的

• 既存の通信ファイバー網への実用的展開を目的として、偏光エンタングルド光子に基づく完全自動化・コンパクト・ポータブルなQKDシステムの開発。
• 環境の変動（偏光・タイミングに影響を与える要因）による影響を受ける実環境のファイバー環境において、長期的な安定性と手動操作なしの運用を克服する技術的課題の解決。
• 通信波長の光子（1550 nm）を用いて、展開済みの光ファイバーを介して安定的かつ高精度なエンタングルメントの分配を実現し、長距離で信頼性の高いQKDを実現すること。
• 手動介入なしで実世界のネットワーク環境で高い鍵レートと低いQBERを達成することにより、実用的量子暗号の実現可能性を証明すること。
• 都市部に展開されたファイバー網で2週間の継続運用を実施し、最小限の停止時間でシステムの耐障害性と信頼性を検証すること。

提案手法

• タイプIの自己誘導非線形効果（SPDC）光源をKwiatらの構成に従い、810 nmおよび1550 nmで偏光エンタングルド光子対を生成する。
• 1550 nmの光子は単モードファイバーに結合して伝送し、810 nmの光子は、ファイバー内部の部品を介したトリガーと偏光制御に用いる。
• 両端のアリスおよびボブに設けられた偏光制御素子（PC1およびPC2）を用いた電子フィードバックループにより、完全自動化された偏光制御を実現。環境変動に起因するドリフトに対してもリアルタイムで安定化を実現。
• 共通のクロック信号とFPGAベースのタイミングエレクトロニクスにより同期を維持。キーゲネレーティングのための正確な一致検出を確保。
• 両端でInGaAs雪崩光電ダイオード（APD）を用いて光子検出を行い、FPGA上で信号処理を実施。QBERの計算と最終鍵の抽出を実行。
• 偏光ドリフト、検出器のずれ、タイミングオフセットを検出し補正する自動アライメントルーチンを内蔵。継続的かつ監視なしの運用を可能にした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全自動化・手動操作なしのエンタングルメントベースのQKDシステムは、展開済み通信ファイバーを介して安定的かつ長期にわたり鍵生成を達成できるか？
• RQ2 環境の変動が生じる実世界のファイバー網において、長期にわたりどの程度のエンタングルメント可視度と鍵レートを維持できるか？
• RQ3 信頼性と運用自律性という観点から、エンタングルメントベースのQKDシステムは、弱コherent状態QKDシステムと比較してどの程度優れているか？
• RQ4 自動安定化モジュール（偏光・タイミング・結合）が、現場に展開されたQKDシステムにおける手動介入の必要性をどの程度低減できるか？
• RQ5 標準通信ファイバー16 kmを介して、2週間の継続運用で最小限の劣化で高精度なエンタングルメント分配が可能か？

主な発見

• 実験室の50 kmファイバー路で、1550 nmの偏光エンタングルド光子を用いて550 bit/sのセキュア鍵レートを達成した。
• 実環境での展開では、16 kmの展開済みファイバー路を2週間（168時間）にわたって継続運用。平均鍵レートは2000 bit/s、QBERは3.5%を記録した。
• 平均エンタングルメント可視度は93%で、稼働時間の99.9%で90%を超える可視度を維持。高い安定性と高精度を示した。
• 稼働時間は336時間中232時間（69%）にのぼり、ネットワーク障害による停止が19%、検出器の停止が7%と、高い信頼性を示した。
• 実環境でのQBER分布（FWHM 0.8%）は、実験室での測定（FWHM 0.6%）とほぼ同一であり、実環境の環境変化への耐性を示した。
• ネットワーク再起動後も自動的に鍵生成を再開し、ドリフト後も自己補正を実行。アライメントに要する時間は全体の5%にとどまり、有効な自律運用を実証した。