[論文レビュー] Quantum key distribution with dissipative Kerr soliton generated by on-chip microresonators

Fang‐Xiang Wang, Weiqiang Wang+17 more|arXiv (Cornell University)|Dec 29, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 41被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、多波長光源としての散逸Kerrソリトン（DKS）マイクロレゾネータを用いた、初のチップ内量子鍵配送（QKD）システムを実証した。これにより、ギガヘルツ（GHz）レート、多数並列のQKDが可能となった。DKSからのコherent周波数コンブを活用することで、25 kmの距離で200 kbpsを超える安全鍵レートを達成し、統合光回路を用いたチップスケールで高速なQKDの実現可能性を裏付けた。

ABSTRACT

Quantum key distribution (QKD) can distribute symmetric key bits between remote legitimate users with the guarantee of quantum mechanics principles. For practical applications, the compact and robust photonic components for QKD are essential, and there are increasing attention to integrate the source, detector and modulators on a photonic chip. However, the massive and parallel QKD based on wavelength multiplexing are still challenge, due to the limited coherent light sources on the chip. Here, we introduce the Kerr dissipative soliton in a microresonator, which provides the locked coherent frequency comb with 49GHz frequency spacing, for QKD. We demonstrate the parallel QKD by demulplexing the coherent comb lines form the soliton, and showing the potential of Gbps secret key rate if the hundreds of channels covering C and L bands are fully exploited. The demonstrated soliton based QKD architecture are compatible with the efforts of quantum photonic integrated circuits, which are compact, robust and low-cost, and provides a competitive platform of practical QKD chip.

研究の動機と目的

• チップ内光子統合を用いて、超高レートの安全鍵レート（SKR）QKDを実現すること。
• コンactで低コストなQKDシステムに複数の周波数ロックされたレーザーを導入する課題に対処すること。
• チップ内に存在する散逸Kerrソリトンを多波長光源として用いることで、並列QKDの実現可能性を実証すること。
• 市販のWDM部品とチップ内統合を組み合わせたDKSベースQKDの性能を検証すること。
• DKS光源と統合光子技術を組み合わせることで、ギガビット/秒（Gbps）レベルのQKDシステムを実現する可能性を検討すること。

提案手法

• 単一の外部狭線幅レーザーを用いて、マイクロレゾネータで散逸Kerrソリトン（DKS）を生成した。
• DKSは、CバンドおよびLバンドをカバーする約50–100 GHz間隔のコherent周波数コンブを生成し、数百本の安定的で狭線幅の光キャリアを提供した。
• 波長多重多重子（WDM）を用いて、コンブラインを活用して複数の独立したQKDチャネルを同時に動作させた。
• プロトタイプ実験として、市販のWDMモジュールとチップ内DKS光源の両方を用いて、並列QKDの性能を検証した。
• 25 kmのファイバー回線を介して、標準のBB84型QKDプロトコルを単一光子検出および偏光符号化で実行した。
• 単一チャネルおよびマルチチャネル構成におけるQBERおよび安全鍵レートなどの主要パrameterをモニタリングし、スケーラビリティを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チップ内に存在する散逸Kerrソリトン光源は、高速で並列なQKDシステムにおいて、従来のレーザアレイを置き換え可能か？
• RQ2 多チャネルQKDにDKSベースの周波数コンブを用いる場合、達成可能な安全鍵レートはどの程度か？
• RQ3 単一チャネルとマルチチャネルWDM構成におけるDKSベースQKDの性能は、どのように比較されるか？
• RQ4 DKS光源は、高安定性および低消費電力で、どの程度までチップスケールで統合されたQKDを可能にするか？
• RQ5 現行のチップ内DKS光源は、実世界のQKD展開において、どのような実用的制限を有するか？

主な発見

• チップ内DKS光源は、CバンドおよびLバンドをカバーする150 nmを超える帯域幅を持つコherent周波数コンブを生成し、数百本の利用可能なコンブラインをサポートした。
• 1本のコンブラインを用いた単一チャネルQKDシステムにおいて、25 kmのファイバー回線で200 kbpsを超える安全鍵レートを達成した。
• マルチチャネルQKD実験では、全チャネルで平均QBERが3%未満を維持し、クロストークや性能劣化の顕著な影響がないことが示された。
• 隣接および非隣接のWDMチャネルの両方で安定した性能を維持したため、高密度周波数多重の実現可能性が確認された。
• DKS光源は、個々のレーザーの安定化にほとんど依存しない周波数ロックされたコherentコンブラインを提供し、システム構造を簡素化した。
• 結果として、DKS光源と超高速チップ内変調器、高効率単一光子検出器を組み合わせることで、ギガビット/秒（Gbps）レベルの安全鍵レートへのスケーリングの可能性が示された。