[論文レビュー] Quantum key distribution based on a Sagnac loop interferometer and polarization-insensitive phase modulators

Bing Qi, Leilei Huang+2 more|CERN Bulletin|Apr 25, 2006

Photonic and Optical Devices被引用数 12

ひとこと要約

本論文は、サナックループ干渉計とアコースティック光変調器（AOM）を用いた位相変調を用いた偏光に依存しない量子鍵配送（QKD）システムを提案する。位相シフトは反対方向に伝搬するパルスの周波数シフトによって符号化される。この方式により、40 kmのファイバーをカバーする状態で96%の干渉可視度が達成され、1時間にわたりQBERが2%〜5%の範囲で安定しており、フィードバックを必要としない高安定性なBB84 QKD動作を実証した。

ABSTRACT

We present a design for a quantum key distribution(QKD) system in a Sagnac loop configuration, employing a novel phase modulation scheme based on frequency shift, and demonstrate stable BB84 QKD operation with high interference visibility and low quantum bit error rate (QBER). The phase modulation is achieved by sending two light pulses with a fixed time delay (or a fixed optical path delay) through a frequency shift element and by modulating the amount of frequency shift. The relative phase between two light pulses upon leaving the frequency-shift element is determined by both the time delay (or the optical path delay) and the frequency shift, and can therefore be controlled by varying the amount of frequency shift. To demonstrate its operation, we used an acousto-optic modulator (AOM) as the frequency-shift element, and vary the driving frequency of the AOM to encode phase information.The interference visibility for a 40km and a 10km fiber loop is 96% and 99%, respectively, at single photon level. We ran BB84 protocol in a 40-km Sagnac loop setup continuously for one hour and the measured QBER remained within the 2%~5% range. A further advantage of our scheme is that both phase and amplitude modulation can be achieved simultaneously by frequency and amplitude modulation of the AOM's driving signal, allowing our QKD system the capability of implementing other protocols, such as the decoy-state QKD and the continuous- variable QKD. We also briefly discuss a new type of Eavesdropping strategy ("phaseremapping" attack) in bidirectional QKD system.

研究の動機と目的

• 長距離サナックQKDシステムにおける偏光に依存する位相変調器の不安定さと複雑さを解消すること。
• 複雑な偏光制御を不要とする偏光に依存しない位相変調技術の開発。
• 高干渉可視度と低量子ビット誤り率（QBER）を実現する40 kmファイバーをカバーするフィードバックフリーなBB84 QKD動作の実証。
• 同時における振幅および位相変調を可能とすることで、デコイ状態QKDや連続変数QKDなどの高度なQKDプロトコルとの互換性を実現すること。
• 双方向QKDシステムにおいて、周波数シフトに基づく位相変調を用いる場合に生じる新たな盗聴脅威（位相再マップ攻撃）を特定・分析すること。

提案手法

• 2つの反対方向に伝搬するパルスを、一定の時間遅延をもってAOMに通すことで位相変調を実現し、相対的位相差はAOMの駆動周波数によって制御される。
• パルス間の相対的位相差は Δφ = 2πnLf/C で与えられ、ここで n はファイバーの有効屈折率、L はファイバー長、f はAOMの駆動周波数、C は光速である。
• 上シフト器と下シフト器の2段階AOM構成を用いることで、ネット周波数シフトをキャンセルし、光の周波数を維持しつつ位相変調を可能にする。
• システムはサナックループ内で単一のAOMを位相変調器として用い、AOMドライバの周波数変調により位相符号化を行う。
• 干渉可視度は、高速データ取得カードを搭載したバランスド・ホームォイド型検出装置を用いて単一光子レベルで測定される。
• BB84プロトコルは、ランダムな位相符号化（0、π/2、π、3π/2）を用い、QBERはアリスの位相選択とボブの測定結果を比較することで推定される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サナックQKDに適した偏光に依存しない位相変調方式を設計可能か？ これにより、複雑な偏光制御装置の必要性が排除できるか？
• RQ2 フィードバック制御なしに長距離ファイバー（例：40 km）をカバーする状態で、どの程度の干渉可視度とQBER安定性が達成可能か？
• RQ3 AOMを用いた位相変調技術は高速動作を可能とし、デコイ状態QKD や連続変数QKD などの他のQKDプロトコルに適応可能か？
• RQ4 周波数シフトに基づく位相変調を用いる双方向QKDシステムでは、どのような新しい盗聴脆弱性が生じるか？
• RQ5 このようなシステムにおいて、位相再マップ攻撃を定量化し、緩和可能か？

主な発見

• サナックQKDシステムは、40 kmのファイバー環路で96%の干渉可視度を達成し、10 kmでは99%の可視度を単一光子レベルで達成した。
• フィードバック制御なしに1時間にわたり、QBERが2%〜5%の範囲で安定した。
• 位相変調レートは最大200 kHzを達成し、数MHzの範囲にまで拡張可能であり、高速QKDとの互換性を示した。
• 位相再マップ攻撃が同定され、エヴは符号化された位相を制御可能な値にマップ可能であり、14.6%のQBERを引き起こしながらも全鍵を取得可能であった。
• 二重AOM構成（図1b）を用いることで、ネット周波数シフトが除去され、位相再マップ脆弱性が解消され、無条件の安全性が回復された。