[論文レビュー] Integration of quantum key distribution and gigabit-capable passive optical network based on wavelength-division multiplexing

Wei Sun, Liujun Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 26, 2016

Quantum Information and Cryptography参考文献 2被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、波長分割多重（WDM）を用いた量子鍵配送（QKD）とギガビット対応パスイブオプティカルネットワーク（GPON）の統合を提案する。光学分波器を回避するためのフィルタを用いて、量子信号の損失を回避する。この方法により、量子信号のカウントレートと信号対雑音比（SNR）が向上し、従来の分波器由来の損失を伴うGPONアーキテクチャと比較して、より高い鍵生成レートと長距離伝送が可能になる。

ABSTRACT

Classical optical communications may be still the main communications technology for the foreseeable future, so integration of the quantum communication network with existing classical optical communication network is necessary because existing telecommunications infrastructure will be shared. This means multiplexing of quantum key distribution (QKD) and strong classical data signals, delivering quantum signals and classic signals in one fiber. Optical splitters are employed to access each user in a gigabit-capable passive optical network (GPON). In a 4-user network the splitter adds at least 6 dB of optical loss to the quantum channel, a 64-user network the splitter adds 18 dB of optical loss to the quantum channel. The optical splitters restrict the transmission distance and performance of QKD. We propose a new integration program of QKD and GPON based on wavelength-division multiplexing (WDM). At the optical splitting point, we use filters to separate the quantum signals and bypass the optical splitter, avoiding losses produced by the optical splitters. This increases the counting rate of the quantum signals states and the signal to noise ratio (SNR) improves, so a higher key generation rate and a longer transmission distance can be obtained with QKD.

研究の動機と目的

• 既存の古典的GPONインfra構造と量子鍵配送（QKD）を統合する課題に対処すること。
• GPONにおける光学分波器による量子チャネル損失を低減し、QKDの性能と伝送範囲を制限する要因を軽減すること。
• 波長分割多重（WDM）を用いて、1本のファイバー内で高速な古典的データと量子信号を共存可能にすること。
• 光学分波器を回避するルーティングにより、量子信号のカウントレートと信号対雑音比（SNR）を向上させること。
• 分波器由来の挿入損失を最小限に抑えることで、GPON上でのQKDにおけるより高い鍵生成レートと長距離伝送を実現すること。

提案手法

• 波長分割多重（WDM）を用いて、1本のファイバー内での量子信号と古典的データ信号を分離する。
• 分波点に光学フィルタを設置し、量子信号を光学分波器からルーティングすることで、6–18 dBの損失を回避する。
• 量子信号は分波器を回避する専用の波長帯を経由して伝送され、信号の完全性が保たれる。
• 古典的データ信号は別々の波長帯を経由し、従来のGPONと同様に分波器を通過する。
• 従来のGPONアーキテクチャとの互換性を維持しながら、量子信号を分波器由来の減衰から分離する。
• この設計により、受信側での量子信号検出レートが向上し、信号対雑音比（SNR）も改善される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子鍵配送（QKD）を、性能を低下させることなくギガビット対応パスイブオプティカルネットワーク（GPON）に効率的に統合できるか？
• RQ2 GPONにおける光学分波器が、挿入損失のため、QKDの性能をどの程度低下させるか？
• RQ3 波長分割多重（WDM）を用いて、量子信号を光学分波器を迂回するルーティングが可能か？
• RQ4 分波器を迂回することで、量子信号のカウントレートと信号対雑音比（SNR）にどのような影響を与えるか？
• RQ5 GPON上でのQKDにおいて、分波器損失を回避することで、鍵生成レートと伝送距離にどの程度の向上が得られるか？

主な発見

• 提案されたWDMベースの統合により、量子信号が光学分波器を効果的に回避され、ユーザー数に応じて6–18 dBの挿入損失が回避される。
• 減衰の低減に伴い、量子信号のカウントレートが向上し、QKD性能が直接的に向上する。
• 分波器由来の雑音と損失による信号劣化が回避されるため、信号対雑音比（SNR）が向上する。
• 従来のGPONベースのQKDシステムと比較して、より高い鍵生成レートと長距離伝送が可能になる。
• 既存のGPONインfra構造との互換性を維持しながら、量子チャネル性能を顕著に向上させる。
• このアプローチは、大規模なインfra構造の刷新なしに、QKDをレガシーオプティカルネットワークに統合する実用的な道筋を示している。