[論文レビュー] Silicon-based decoder for polarization-encoding quantum key distribution

Yongqiang Du, Xun Zhu+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、偏光符号化量子鍵配送（QKD）用に完全統合されたシリコンフォトニクスデコーダーを提案し、オンチップでの偏光状態解析と光ファイバーに起因する偏光ドリフトの自動補正を可能にした。チップは偏光スプリッタ・ローターを介した偏光からパスへの変換手法を用い、10時間にわたる連続運用において、0.56%の量子ビット誤り率（QBER）で100 kmのファイバーQKDで240 bpsの秘密鍵レートを達成した。

ABSTRACT

Silicon-based polarization-encoding quantum key distribution (QKD) has been widely studied, owing to its low cost and robustness. However, prior studies have utilized off-chip devices to demodulate the quantum states or perform polarization compensation, given the difficulty of fabricating polarized independent components on the chip. In this paper, we propose a fully chip-based decoder for polarization-encoding QKD. The chip realizes a polarization state analyzer and compensates for the BB84 protocol without requiring additional hardware. It is based on a polarization-to-path conversion method that uses a polarization splitter-rotator. The chip was fabricated using a standard silicon photonics foundry; it has a compact design and is suitable for mass production. In the experimental stability test, an average quantum bit error rate of $0.56\%$ was achieved through continuous operation for 10 h without any polarization feedback. Furthermore, using the developed feedback algorithm, the chip enabled the automatic compensation of the fiber polarization drift, which was emulated by a random fiber polarization scrambler. In the case of the QKD demonstration, we obtained a finite-key secret rate of 240 bps over a fiber spool of 100 km. This study represents an important step toward the integrated, practical, and large-scale deployment of QKD systems.

研究の動機と目的

• 偏光符号化QKDシステムにおけるオフチップ部品の必要性を排除するため、完全にチップ内に統合されたデコーダーを開発すること。
• オンチップでの偏光状態解析と、ファイバーに起因する偏光ドリフトの自動補正を可能にすること。
• 標準的なCMOSプロセスと互換性があり、量産可能なコンactなシリコンフォトニクスソリューションを提供すること。
• 外部の偏光フィードバックが不要な状態で、長距離ファイバー回線における安定的で低誤りのQKD性能を実現すること。

提案手法

• デコーダーは、偏光スプリッタ・ローター（PSR）に基づく偏光からパスへの変換手法を用い、偏光状態を異なる出力パスにマッピングする。
• チップは、標準的なシリコンフォトニクスプラットフォーム上に、偏光スプリッタ・ローター、熱的位相シフタ、マルチモード干渉計（MMI）、可変光衰減器（VOA）を統合している。
• フィードバックアルゴリズムは、XおよびZ基底における誤り率を最小化することで、熱的位相シフタ（PS1–PS4）の電圧を動的に調整し、偏光ドリフトを補正する。
• フィードバックアルゴリズムは、誤り率の電圧変化に対する偏微分を有限差分近似で推定し、勾配に基づく補正を可能にする。
• システムはXおよびZ基底における誤り率を継続的にモニタリングし、反復的・周期的な方法で補正電圧を更新することで、低QBERを維持する。
• チップはコンactな3.95 × 2.19 × 0.90 cm³のパッケージ形式で実装され、標準的なシリコンフォトニクスファブリケーションプロセスで製造された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全にチップ内に統合されたデコーダーは、偏光符号化QKDシステムにおけるオフチップ部品による偏光デモジュレーションと補正を代替できるか？
• RQ2 外部フィードバックがなければ、シリコンフォトニクスデコーダーが長時間にわたって低量子ビット誤り率（QBER）を維持できる性能を示せるか？
• RQ3 オンチップフィードバックアルゴリズムは、リアルタイムでランダムなファイバー偏光ドリフトを効果的に補正できるか？
• RQ4 長距離ファイバー回線における完全に統合されたシリコンベースQKDシステムで、達成可能な秘密鍵レートはどの程度か？

主な発見

• 外部の偏光フィードバックが一切ない状態で、10時間にわたる連続運用において、平均して0.56%の量子ビット誤り率（QBER）を達成した。
• 開発されたフィードバックアルゴリズムは、ランダムなファイバー偏光スキャムブラによって模擬された偏光ドリフトを効果的に補正し、安定したQKD性能を維持した。
• 100 kmのファイバー・スプールを用いた実験で、有限キーレートとして240 bpsの秘密鍵レートを達成し、QBERは2.61×10⁻²であった。
• チップのコンactなサイズ（1.6 × 1.7 mm²）と、標準的なシリコンフォトニクスプロセスとの互換性により、量産可能で実用的QKDシステムへの統合が可能である。
• 25 kmでは4.94×10⁴ bps、100 kmでは2.40×10² bpsの秘密鍵レートを維持し、長距離でのスケーラビリティを示した。
• 全テストされたファイバー長において高い安定性と低誤り率を達成し、QBERは25 kmで0.53%から100 kmで2.61%に上昇したが、依然として安全な鍵生成の許容範囲内に保たれた。