[論文レビュー] PMD-Tolerant 20 krad/s Endless Polarization and Phase Control for BB84-Based QKD with TDM Pilot Signals

Benjamin Koch, R. Noé|arXiv (Cornell University)|May 20, 2020

Optical Network Technologies参考文献 1被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、時間分割多重（TDM）パイロット信号を用いた、PMDに強い耐性を示し、高帯域幅な偏光および位相制御方式を、BB84ベースの量子鍵配送（QKD）に適用する。600 ns間隔で0°および45°偏光のパイロットトーンを埋め込むことで、63 kmのファイバーを介し、35 psのPMD耐性を達成し、20 krad/sの追跡速度を実現。これにより、ドリフトが蓄積しない連続的かつ無限の制御が可能となる。

ABSTRACT

TDM-based polarization and differential phase control with 35ps PMD tolerance and 20krad/s tracking speed is demonstrated. 600ns intervals are reserved for QKD and for 0°- and 45°-polarized pilot signals. ECLs are modulated directly, with high extinction. Power budget is 17dB, fiber length is 63km.

研究の動機と目的

• 環境の変動によって引き起こされるBB84ベースのQKDシステムにおける偏光および位相のドリフトを是正すること。
• リアルタイムで偏光および位相状態を高速かつ連続的に制御し、安全な鍵生成を維持すること。
• 従来のパイロットトーン手法の制限を超えるために、TDMベースのパイロット信号と高消光比変調を統合すること。
• 長距離ファイバーQKDにとって不可欠な、顕著な偏光モード分散（PMD）条件下でも高い性能を発揮すること。
• 動的チャネルインパアランスを伴う実世界のファイバー網へのBB84 QKDの展開に向けたスケーラブルで実用的なソリューションを実証すること。

提案手法

• QKDフレーム内に600 ns間隔で0°および45°偏光のパイロット信号を時間分割多重（TDM）で挿入する。
• 高消光比を有する直接変調外部キャビティレーザー（ECL）を用い、安定的かつ明確に区別可能なパイロットトーンを生成する。
• パイロット信号の状態を追跡するフィードバック制御ループを実装し、リアルタイムで偏光および位相のドリフトを推定・補正する。
• 63 kmの単モードファイバー伝送をサポートするため、17 dBの電力余裕を設計に組み込む。
• 2つのパイロット信号間の位相差測定を活用し、量子チャネルを損なわず、QKD信号の状態を推定する。
• 20 krad/sの制御帯域幅を用いることでPMD耐性を確保し、最大35 psまでのPMD由来の位相変動を追跡可能とする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TDMベースのパイロット信号は、BB84 QKDシステムにおける連続的かつ高帯域幅な偏光および位相制御を可能にするか？
• RQ2 このTDMパイロット信号に基づく制御方式で達成可能な最大のPMD耐性はどの程度か？
• RQ3 実世界のファイバー環境下で、制御ループはどれほど速く動的偏光および位相ドリフトを追跡できるか？
• RQ4 実用的展開において、このシステムが達成可能な伝送距離と電力余裕はどの程度か？
• RQ5 パイロット信号挿入方式は、高い消光比を維持し、量子信号とのクロストークを回避できるか？

主な発見

• 本システムは20 krad/sの偏光および位相制御帯域幅を達成し、急激に変化するチャネル状態をリアルタイムで追跡可能である。
• 本方式は35 psのPMD耐性を示し、顕著な偏光モード分散を示すファイバーでも安定した動作を実現する。
• 63 kmのファイバー路を17 dBの電力余裕でサポートでき、長距離QKD展開の実現可能性を裏付けた。
• 600 ns間隔のTDMパイロット信号により、QKDデータ伝送を遮断することなく、途切れのない制御が可能となった。
• 高消光比を有するECLの直接変調により、明確なパイロット信号検出と低誤り率のフィードバック制御が実現された。
• 偏光および位相状態を継続的に補正することで、時間経過に伴うドリフト蓄積が生じない「無限の制御」を実現した。