[論文レビュー] High-bit-rate quantum key distribution with entangled internal degrees of freedom of photons

Isaac Nape, Bienvenu Ndagano+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2016

Quantum Information and Cryptography被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、光子の空間的自由度と偏光自由度をもつもつれ状態を用いた4次元量子鍵配送（QKD）プロトコルを提案する。静的光学素子を用いることで、すべての基底状態を決定的（確率1）に検出可能であり、1.63ビット/光子の秘密鍵レート、97%の整合性、0.41の容量/次元比を達成した。これは、従来の高次元QKD方式に比べ、効率性と鍵レートの面で顕著に優れている。

ABSTRACT

Quantum communication over long distances is integral to information security and has been demonstrated in free space and fibre with two-dimensional polarisation states of light. Although increased bit rates can be achieved using high-dimensional encoding with spatial modes of light, the efficient detection of high-dimensional states remains a challenge to realise the full benefit of the increased state space. Here we exploit the entanglement between spatial modes and polarization to realise a four-dimensional quantum key distribution (QKD) protocol. We introduce a detection scheme which employs only static elements, allowing for the detection of all basis modes in a high-dimensional space deterministically. As a result we are able to realise the full potential of our high-dimensional state space, demonstrating efficient QKD at high secure key and sift rates, with the highest capacity-to-dimension reported to date. This work opens the possibility to increase the dimensionality of the state-space indefinitely while still maintaining deterministic detection and will be invaluable for long distance 'secure and fas' data transfer.

研究の動機と目的

• 高次元QKDにおける確率的モードフィルタリングの制限を克服し、検出効率と鍵レートの低下を防ぐ。
• 静的光学素子を用いて、高次元ヒルベルト空間におけるすべての基底状態を決定的かつ確率1で検出可能にする。
• 軌道的角運動量と偏光がもつれている非分離的ベクトル・バーテックスモードを活用し、4次元の量子状態空間を構築する。
• フィルタリングに基づく検出方式に内在する次元依存のふnow 1/d 損失を排除することで、安全鍵およびふnow レートを最大化する。
• 長距離・高帯域幅の安全通信に適したスケーラブルで高容量のQKDプロトコルを実証する。

提案手法

• q-プレートを用いて生成されるベクトル・バーテックスモードにより、軌道的角運動量（OAM）と偏光自由度がもつれ、4次元ヒルベルト空間が形成される。
• パンカナラタナム＝ベリー位相の操作と静的素子（1/4波プレート、偏光グリッド、モード分離器）を用いた検出方式により、すべての基底状態を決定的に測定可能である。
• 2つの測定基底を採用する：スカラー・モード用（線形偏光から円偏光への変換の後、経路分離）と、ベクトル・モード用（直接的な経路および偏光マッピング）。
• q-プレートによる幾何位相制御により、正確な状態準備と変換が可能であり、位相の位相的位相（トポロジカル・チャージ）q = 1/2 および q = 5 を用いて、互いに偏りのない基底を生成する。
• 検出システムはモード分離器（MS1およびMS2）を用いてOAM状態を空間的位置にマッピングし、モードフィルタリングを伴わずに完全な空間分解能を確保する。
• すべてのモードを同時に検出するため、確率的ふnow を回避し、検出確率を維持するとともに、ふnow レートを最大化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 モードフィルタリングを用いずに、空間的および偏光自由度のもつれを用いて、決定的かつ高次元のQKDを実現できるか？
• RQ2 非分離的ベクトル・モードを用いた4次元QKDプロトコルで達成可能な最大の秘密鍵レートは何か？
• RQ3 本方式の容量/次元比は、既存の高次元QKDプロトコルと比較してどのように評価できるか？
• RQ4 高次元空間において、すべての基底状態に対して検出効率を確率1で維持できるか？
• RQ5 ベクトル・バーテックスモードの使用は、自由空間量子通信におけるチャネル雑音および乱流に対する耐性を向上させるか？

主な発見

• プロトコルは1.63ビット/光子の秘密鍵レートを達成し、以前のd=4 QKD実験に比べ43%の改善を示した。
• 検出整合性は97%に達し、4次元ヒルベルト空間内での高精度な状態準備と測定が確認された。
• 0.41の容量/次元比は、これまで報告された中で最高であり、以前のd=5の0.17およびd=7の0.24を上回っている。
• 確率的検出を回避したため、ふnow レートはフィルタリング方式に比べ2倍に向上し、検出確率の1/d損失が完全に排除された。
• 1モードあたりの検出確率が1であるため、スケーラブルで高次元のQKDが可能であり、次元数の無限大への拡張も可能である。
• ベクトルおよびスカラーOAMモードが同じように散乱されるため、乱流に対して強く、盗聴者の利点を最小限に抑える。