[論文レビュー] GHz QKD at telecom wavelengths using up-conversion detectors

Rob Thew, S. Tanzilli+7 more|CERN Bulletin|Dec 7, 2005

Advanced Optical Sensing Technologies参考文献 1被引用数 78

ひとこと要約

本論文は、周期的ポリングされたリチウニobレート波導を用いたアップコンersion検出器と低ジッタのケイ素単一光子アンプリフィア図ダイオード（SPAD）を用いて、通信波長帯で1 GHzレートの量子鍵配送（QKD）システムを提示する。ハイブリッド検出方式により、高時間分解能を実現した連続波動作が可能となり、25 kmの一般ファイバーを介して1.27 GHzのビットレートと100 kbit/sを超える安全鍵レートを達成し、QBERは2%未塔であった。

ABSTRACT

We have developed a hybrid single photon detection scheme for telecom wavelengths based on nonlinear sum-frequency generation and silicon single-photon avalanche diodes (SPADs). The SPAD devices employed have been designed to have very narrow temporal response, i.e. low jitter, which we can exploit for increasing the allowable bit rate for quantum key distribution. The wavelength conversion is obtained using periodically poled Lithium niobate waveguides (W/Gs). The inherently high efficiency of these W/Gs allows us to use a continuous wave laser to seed the nonlinear conversion so as to have a continuous detection scheme. We also present a 1.27GHz qubit repetition rate, one-way phase encoding, quantum key distribution experiment operating at telecom wavelengths that takes advantage of this detection scheme. The proof of principle experiment shows a system capable of MHz raw count rates with a QBER less than 2% and estimated secure key rates greater than 100 kbit/s over 25 km.

研究の動機と目的

• 通信帯QKDにおける従来のInGaAs SPADの制限を克服するため、高速で低ジッタの検出方式を開発すること。
• 波長アップコンERSIONを活用して通信帯光子をケイ素検出帯にシフトさせることで、長距離にわたり高ビットレートQKDを実現すること。
• 低ジッタのSi SPADと非線形周波数変換を用いて、位相符号化QKDにおける連続的・フリー走行動作の実現可能性を示すこと。
• BB84およびSARGプロトコルを用いて、25 kmでは100 kbit/sを超える安全鍵レート、50 kmでは20 kbit/sの安全鍵レートを達成し、QBERの低下を最小限に抑えること。

提案手法

• 周期的ポリングされたリチウニオブレート（PPLN）波導における非線形周波数合成（SFG）を用いて、通信波長帯光子（1550 nm）をケイ素検出帯（800–1000 nm）に変換する。
• 時間ジッタが約40 psの低ジッタケイ素SPADを用い、高い時間分解能とMHzレベルの光子カウントレートを実現する。
• アップコンERSION検出器を1.27 GHz繰返しレートのワンウェイ位相符号化QKDシステムに統合し、弱いコherentパルスを用いる。
• 信頼できるデバイスモデルと個別攻撃を用いたセキュリティ解析において、基底選択と誤り補正を施したBB84およびSARGプロトコルを適用する。
• 理論的枠組みとして、デコイ状態QKDおよびSARGプロトコルのセキュリティ理論を用い、実験的QBERと生カウントレートに基づいて安全鍵レートを推定する。
• 実際のチャネル損失と雑音を想定し、安全鍵レートを最大化するためのシステムパラメータ（平均光子数μおよび検出効率）を最適化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低ジッタSi SPADを用いたアップコンERSION検出が、実用的な安全鍵レートを達成しつつ、通信波長帯で1 GHzレートQKDを可能にするか？
• RQ2 PPLN波導を用いたSFGと高速Si SPADの組み合わせが、長距離QKDにおけるQBERおよび検出効率に与える影響は何か？
• RQ3 この検出方式を用いて、25 kmおよび50 kmの一般ファイバーを介したBB84およびSARGプロトコルにおける実現可能な生鍵レートおよび安全鍵レートは何か？
• RQ4 色散がシステム性能に与える影響はどの程度で、現在の検出およびシステムパラメータでこれを緩和できるか？
• RQ5 タイミング分解能や鍵レートに影響を及げることなく、連続的・フリー走行動作を実現できるか？

主な発見

• BB84プロトコルを用いた25 kmでの実験では、生鍵レートが710 kbit/s、安全鍵レートが135 kbit/sに達し、QBERは1.84%であった。
• SARGプロトコルでは、25 kmで生鍵レートが2.04 Mbit/s、安全鍵レートが140 kbit/sに達し、QBERは1.82%であった。
• 50 kmの一般ファイバーを介して、SARGプロトコルでは安全鍵レートが20 kbit/s、BB84プロトコルでは2 kbit/sに達した。これはSARGプロトコルの損失に対する優れた耐性を示している。
• 実験的QBER値は理論的予測とよく一致しており、色散の影響は最小限（50 kmで推定約0.3%）であることが示された。
• Si-SFG検出器は1枚あたり5%を超える単一光子検出効率を達成したが、依然として大きなノイズを含んでおり、さらなる最適化が必要である。
• システムはMHzレベルのカウントレートと低ジッタを維持しながら、連続的・フリー走行動作を実現し、タイミング制約なしに高速QKDを可能にした。