[論文レビュー] Space-borne quantum memories for global quantum communication

Mustafa Gündoğan, Jasminder S. Sidhu+5 more|Strathprints: The University of Strathclyde institutional repository (University of Strathclyde)|Jun 18, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 16

ひとこと要約

本論文では、光ファイバーの損失制限を克服するために、量子メモリを搭載した人工衛星を用いたグローバルスケールの量子通信の実現を提案している。地上局ではなく衛星に量子メモリを配置することで、エンタングルメント配布速度が3桁向上することを示しており、宇宙ベースの量子リピーターを用いた国境を越える距離における実用的で、絶対的に安全な量子鍵配送（QKD）を可能にする。

ABSTRACT

Global scale quantum communication links will form the backbone of the quantum internet. However, exponential loss in optical fibres precludes any realistic application beyond few hundred kilometres. Quantum repeaters and space-based systems offer to overcome this limitation. Here, we analyse the use of quantum memory (QM)-equipped satellites for quantum communication focussing on global range repeaters and Measurement-Device-Independent (MDI) QKD. We demonstrate that satellites equipped with QMs provide three orders of magnitude faster entanglement distribution rates than existing protocols based on fibre-based repeaters or space systems without QMs. We analyse how entanglement distribution performance depends on memory characteristics, determine benchmarks to assess performance of different tasks, and propose various architectures for light-matter interfaces. Our work provides a practical roadmap to realise unconditionally secure quantum communications over global distances with current technologies.

研究の動機と目的

• 地上の量子通信を数百年キロメートルに制限する光ファイバーにおける指数関数的損失を克服すること。
• 長距離量子鍵配送（QKD）における信頼できるノードおよび従来の量子リピーターの限界を解決すること。
• 宇宙空間に設置された量子メモリが、グローバルスケールの量子ネットワーク用に信頼できない量子リピーターとしての実現可能性と性能を検討すること。
• 低地球軌道衛星に量子メモリを搭載した状態で、測定装置に依存しない（MDI）QKDおよびエンタングルメント配布を実装するための実用的ロードマップを策定すること。
• 性能ベンチマークを確立し、メモリの特性がグローバル量子通信速度に与える影響を評価すること。

提案手法

• 回折、大気吸収、指向誤差を考慮した、衛星から地上および衛星同士の光チャネルをモデル化する。
• 秘密鍵レートの下限を用いたBB84プロトコルを用いる：$ R = \frac{Y}{2}\left[1 - h(e_X) - f h(e_Z)\right] $、ここで$ Y $は測定成功確率、$ e_X, e_Z $はQBER（誤り率）を表す。
• チャネル損失を次のように扱う：$ \eta_{\text{atm}}(\theta) = \left(\eta^{\pi/2}_{\text{atm}}\right)^{\csc\theta} $、$ \eta^{\pi/2}_{\text{atm}} \approx 80\% $ は780 nmの天頂透過率を示す。
• ガウスビームの指向誤差による損失をモデル化：$ \eta_{\text{point}} = \exp\left[-8\sigma^2_{\text{point}}/\omega_0^2\right] $、1 μradの指向誤差で約10%の損失が生じる。
• 検出器のダークカウント（$ p_d = 10^{-6} $/1 μsウィンドウ）および不要光を、スペクトル的および時間的フィルタリングにより補正する。
• 時間的マルチモード保存の必要性を評価：$ N_{\text{mod}} = R_s \eta_s \eta_{\text{tr},\max} \frac{L_0}{c} $、ここで$ N_{\text{mod}} = 365 $ は鍵計算のための値である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 地上局ではなく衛星に量子メモリを配置することで、グローバル量子ネットワークにおけるエンタングルメント配布速度にどのような影響を与えるか？
• RQ2 大気損失、指向誤差、検出器ノイズが衛星ベースの量子通信性能に与える影響は何か？
• RQ3 量子メモリの特性（例：保存時間、効率）が、宇宙ベースのQKDにおける達成可能な秘密鍵レートにどのように影響を与えるか？
• RQ4 宇宙に設置された量子メモリは、国境を越える距離での実用的で、絶対的に安全なMDI-QKDを可能にするか？
• RQ5 鍵レートおよび損失予算の観点から、異なる衛星ベースの量子メモリアーキテクチャの性能ベンチマークは何か？

主な発見

• 量子メモリを搭載した衛星は、地上に量子メモリを設置する手法に比べ、エンタングルメント配布速度が3桁速いことを示している。
• 大気吸収が長距離および低仰角で主なチャネル損失を占め、780 nmでの天頂透過率は約80%である。
• 1 μradの指向誤差は、光透過率を約10%低下させ、正確なビーム安定化の必要性を強調している。
• システムパラメータを用いた分析において、必要な時間的マルチモード保存容量は365モードである。これは光源の明るさとチャネル効率に依存する。
• 検出器のダークカウントレートは$ p_d = 10^{-6} $/1 μsウィンドウとしてモデル化されており、これは数Hzに相当し、SNSPDを用いることで低減可能である。
• 不要光の寄与は天候状態に大きく依存し、月や人工的な空の明るさが主な要因である。スペクトル的および時間的フィルタリングにより緩和可能である。