[論文レビュー] Perspectives of microwave quantum key distribution in open-air

Florian Fesquet, Fabian Kronowetter+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、開放大気環境における歪んだスリッピング状態を用いた連続変数マイクロ波量子鍵配送（MQC）を提案し、室温で200メートルまで無条件の安全性を実証した。マイクロ波帯域（1–10 GHz）における低雑音性と低大気損失の特性により、悪天候下でも従来の通信波長帯QKDを上回る性能を示した。

ABSTRACT

One of the cornerstones of quantum communication is the unconditionally secure distribution of classical keys between remote parties. This key feature of quantum technology is based on the quantum properties of propagating electromagnetic waves, such as entanglement, or the no-cloning theorem. However, these quantum resources are known to be susceptible to noise and losses, which are omnipresent in open-air communication scenarios. In this work, we theoretically investigate the perspectives of continuous-variable open-air quantum key distribution at microwave frequencies. In particular, we present a model describing the coupling of propagating microwaves with a noisy environment. Using a protocol based on displaced squeezed states, we demonstrate that continuous-variable quantum key distribution with propagating microwaves can be unconditionally secure at room temperature up to distances of around 200 meters. Moreover, we show that microwaves can potentially outperform conventional quantum key distribution at telecom wavelength at imperfect weather conditions.

研究の動機と目的

• マイクロ波を用いた連続変数量子鍵配送（CV-QKD）が開放大気環境で実現可能かどうかを調査すること。
• 長距離マイクロ波量子通信における大気雑音および損失の課題に取り組むこと。
• 現実的な天候条件下でのマイクロ波ベースQKDと従来の通信波長帯QKDの性能を比較すること。
• 環境雑音下における歪んだスリッピング状態を用いたマイクロ波CV-QKDの安全性を評価すること。
• 室温の開放大気環境下でマイクロ波QKDが達成可能な最大安全距離を特定すること。

提案手法

• ノイズを含む環境と結合する理論的枠組みを用いて、開放大気内でのマイクロ波伝搬をモデル化した。
• マイクロ波周波数（1–10 GHz）でガウス変調を施したワンウェイ準備・測定CV-QKDプロトコルを適用した。
• 電磁界の片方の正準変数をホモダイン検出で測定し、連続変数に情報がエンコードされることを実現した。
• 誤り訂正と秘密鍵レート推定のため、逆再結合（RR）および直接再結合（DR）を古典的後処理に用いた。
• エンタングルクラッカー攻撃に対する安全性を定量化するために、共分散行列とフォン・ノイマンエントロピーを用いてエヴェのホールボ情報の導出を行った。
• 実際の大気損失および熱雑音モデルを組み込み、さまざまな天候条件下での性能をシミュレートした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 連続変数マイクロ波QKDは、室温の開放大気環境でも無条件の安全性を達成可能か？
• RQ2 現実的大気条件下におけるマイクロ波ベースQKDの最大安全通信距離はどの程度か？
• RQ3 悪天候下におけるマイクロ波QKDの性能は、従来の通信波長帯QKDと比べてどのように異なるか？
• RQ4 環境雑音および損失が、開放大気環境下でのマイクロ波QKDに及ぼす制限はどの程度か？
• RQ5 熱的背景雑音が存在する中でも、歪んだスリッピング状態はマイクロ波帯域で安全な鍵配布を可能にするか？

主な発見

• 歪んだスリッピング状態を用いたマイクロ波QKDは、室温で開放大気環境において約200メートルまで無条件の安全性を達成した。
• 中程度から高い雑音および損失が存在する現実的大気条件下でも、プロトコルは安全な鍵レートを維持した。
• マイクロ波帯域の低大気吸収および低散乱特性により、悪天候下では従来の通信波長帯QKDを上回る性能を示した。
• 逆再結合は、高雑音および高損失環境下でも秘密鍵レートとセキュリティマージンを著しく向上させた。
• 理論的モデルにより、室温で一般的に見られる熱的背景雑音レベル下でも、マイクロ波ベースCV-QKDが依然として実用可能であることが確認された。
• 現在の超伝導ヨセフソンパラメトリック増幅器を用いることで、マイクロ波光源で最大10 dBのスリッピングが実現可能であり、実験的実装が可能であることが示された。