[論文レビュー] High-rate intercity quantum key distribution with a semiconductor single-photon source

Jingzhong Yang, Zenghui Jiang+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 64被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、通信Cバンドで発光する半導体量子ドット単一光子源を用いた、初めての都市間量子鍵配送（QKD）を実証した。79 kmのファイバー回線を走破し、25.49 dBの損失を経て、1パルスあたり4.8×10⁻⁵ビットの秘密鍵レートを達成し、漸近的最高耐損失は28.11 dBに達した。これは、既存の単一光子源に基づくQKDシステムを上回り、弱コherentパルスを用いたデコイ状態QKDに近づいた性能を示した。

ABSTRACT

Quantum key distribution (QKD) enables the transmission of information that is secure against general attacks by eavesdroppers. The use of on-demand quantum light sources in QKD protocols is expected to help improve security and maximum tolerable loss. Semiconductor quantum dots (QDs) are a promising building block for quantum communication applications because of the deterministic emission of single photons with high brightness and low multiphoton contribution. Here we report on the first intercity QKD experiment using a bright deterministic single photon source. A BB84 protocol based on polarisation encoding is realised using the high-rate single photons in the telecommunication C-band emitted from a semiconductor QD embedded in a circular Bragg grating structure. Utilising the 79 km long link with 25.49 dB loss (equivalent to 130 km for the direct-connected optical fibre) between the German cities of Hannover and Braunschweig, a record-high secret key bits per pulse of 4.8 * 10^{-5} with an average quantum bit error ratio of ~ 0.65 % are demonstrated. An asymptotic maximum tolerable loss of 28.11 dB is found, corresponding to a length of 144 km of standard telecommunication fibre. Deterministic semiconductor sources therefore challenge state-of-the-art QKD protocols and have the potential to excel in measurement device independent protocols and quantum repeater applications.

研究の動機と目的

• 実際の都市間ファイバー網において、決定的で高効率な半導体単一光子源を用いた高レート・長距離QKDの実証。
• 弱コherentパルス源の限界、例えば光子数分割攻撃への脆弱性や低秘密鍵レートといった問題の克服。
• 将来の量子通信網に向けたスケーラブルで高性能なソースとして、半導体量子ドットの実用可能性の検証。
• 実世界のチャネル条件下で、長距離QKD展開における決定的単一光子源の性能評価。

提案手法

• 1550 nmの通信Cバンドで、オンデマンドで高輝度の単一光子を発生させる半導体量子ドットを、円形ブロッグ回折格子構造に埋め込んだ。
• 状態準備と測定に、自由空間ビームスプリッタを用いた偏光符号化によるBB84プロトコルを実装。
• ドイツのハノーファーとブラウンシュヴァイク間を結ぶ79 kmの実装ファイバー回線を用い、合計25.49 dBの損失を経由。
• 量子ビット誤り率（QBER）は平均0.65%で測定され、信号の高精度と低雑音を示した。
• 秘密鍵レート（SKR）は漸近的および有限キーモードで評価され、光源効率、光子純度、システムのダークカウントの最適化が行われた。
• 理論的モデルでは、将来の実現可能な改善が見込まれる場合、漸近的最高耐損失が54.1 dB（標準ファイバーで276.58 km相当）に達すると予測された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 決定的半導体単一光子源は、実用的な損失予算を持つ都市間ファイバー回線で高レートQKDを実現可能か？
• RQ2 弱コherentパルスを用いた最新のデコイ状態QKDと比較して、量子ドットベースのQKDシステムの秘密鍵レートはどの程度か？
• RQ3 実世界の展開において、単一光子源に基づくQKDシステムの最大耐損失はどの程度か？
• RQ4 光源効率、光子純度、ダークカウント率といったシステムパラメータが、秘密鍵レートと損失耐性に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 半導体量子ドットは、測定装置に依存しないQKDや量子リピーター基盤の量子ネットワークの実現に有効な構築ブロックとして機能可能か？

主な発見

• 79 kmのファイバー回線で合計25.49 dBの損失を経て、1パルスあたり4.8×10⁻⁵ビットの秘密鍵レートを達成した。
• 平均量子ビット誤り率（QBER）は0.65%で測定され、システムの高い信号品質と低雑音を示した。
• 漸近的最高耐損失28.11 dBを実験的に実証し、標準ファイバーで143.71 km相当の理論的チャネル長に対応した。
• 単一光子源を用いたQKD実装において、これまで報告されたあらゆる実装を上回る秘密鍵レートを達成した。
• 理論的モデルでは、光源効率、光子純度、ダークカウント抑制のさらなる改善が可能であれば、最大耐損失54.1 dB（276.58 km）に達すると予測された。
• 結果から、半導体量子ドット光源は、さらなる最適化なしに、既存の弱コherentパルスを用いたデコイ状態QKDの性能を模倣または上回ることが示された。