[論文レビュー] Reducing spontaneous Raman scattering noise in high quantum bit rate QKD systems over optical fiber

Michal Mlejnek, Nikolay Kaliteevskiy+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2017

Optical Network Technologies参考文献 10被引用数 14

ひとこと要約

この論文は、長距離光ファイバーを介した高レート量子鍵配送（QKD）システムにおけるスパークリングラマン散乱ノイズを、古典的信号および色収差分散からの影響を分析することで取り扱う。コherent変調フォーマットとフォワードエラー制御（FEC）を用いることでラマンノイズを低減し、低損失ファイバーで1550 nm帯域でのラマン増幅が最小限である条件下で、数十〜数100 kmの距離にわたり複数の量子チャネルと100 Gb/sの古典的チャネルを同時に伝送可能にする。

ABSTRACT

We investigate (a) spontaneous Raman scattering of classical signals in long optical fiber links leading to significant Raman noise in quantum channels propagating in the same fiber and (b) impact of chromatic dispersion on the performance of high quantum bit rate QKD systems. One way of decreasing Raman noise is to decrease the classical signal power. This may be achieved by the use of coherent modulation formats and the deployment of Forward Error Correction technology. Additionally, low loss fiber with small Raman gain at telecom wavelengths enables the simultaneous transmission of multiple quantum channels and one or a few classical channels at 100 Gb/s rate over tens, possibly hundreds, of kilometers.

研究の動機と目的

• 長距離光ファイバー路における古典的信号からのスパークリングラマン散乱が量子チャネルに与える影響を分析すること。
• 色収差分散が高レート量子ビットレートQKDシステム性能に与える影響を調査すること。
• システム容量や伝送距離を損なわずにラマンノイズを抑制する実用的手法を同定すること。
• 数十〜数100 kmの距離にわたり、複数の量子チャネルと100 Gb/sの高速古典的チャネル（100 Gb/s）を同時に共伝送可能にする。

提案手法

• 量子チャネルと同一ファイバー内に存在する古典的信号が生成するラマン散乱ノイズをモデル化すること。
• コherent変調フォーマットが古典的信号の電力を低減し、ラマンノイズを抑制する有効性を評価すること。
• 残留ノイズを低減し、システム耐性を向上させるためにフォワードエラー制御（FEC）を適用すること。
• 1550 nm帯でラマン増幅が最小限となる低損失ファイバーを用いたシステム構成を設計し、非線形クロストークを低減すること。
• さまざまな分散および電力条件の下で、数十〜数100 kmの距離におけるシステム性能をシミュレーションすること。
• 量子チャネルの可視性と古典的信号の整合性の両立を図るために、チャネル間隔と電力割り当てを最適化すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高出力の古典的信号からのスパークリングラマン散乱は、長距離ファイバー路における量子チャネル性能をどの程度劣化させるか？
• RQ2 色収差分散は、高速QKDシステムにおける達成可能な量子ビットレートをどの程度制限するか？
• RQ3 コherent変調フォーマットとFECは、古典的データレートを損なわずにラマンノイズを効果的に低減できるか？
• RQ4 1本のファイバー内で1本以上の100 Gb/s古典的チャネルと、最大何本の量子チャネルを共伝送できるか？
• RQ5 ハイブリッド量子-古典伝送におけるクロストークを最小限に抑えるために最適なファイバー定数（例：ラマン増幅係数、損失）は何か？

主な発見

• コherent変調フォーマットは、古典的信号の電力を顕著に低減させ、共伝送される量子チャネルにおけるラマンノイズを抑制する。
• フォワードエラー制御（FEC）により、残留ラマンノイズ下でも信頼性の高い動作が可能となり、システム耐性が向上する。
• 1550 nm帯でラマン増幅が最小限となる低損失ファイバーは、数十〜数100 kmの距離にわたり、複数の量子チャネルと100 Gb/sの古典的チャネルを同時に伝送可能である。
• 色収差分散はQKD性能に顕著な影響を与えるが、適切なシステム設計および分散補償により管理可能である。
• 最適化された条件下では、100 Gb/sの古典的チャネルと複数の量子チャネルの共存が1本のファイバー内で実現可能である。
• システムシミュレーションにより、高度な変調とFECによる古典的信号電力の低減によってラマンノイズが管理可能であることが確認され、高レートQKDが実現可能である。