[論文レビュー] Surpassing the rate-transmittance linear bound of quantum key distribution

Xiaotian Fang, Pei Zeng+18 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 20被引用数 31

ひとこと要約

本論文は、レーザー注入と位相後処理補正を用いた位相一致量子鍵配送（PM-QKD）により、実験的に線形レート・透過率限界を超過することを示した。この方式は、超低損失ファイバー502 kmで0.118 bpsの鍵レートを達成し、従来の研究と比較して4桁以上も優れている。

ABSTRACT

Quantum key distribution (QKD offers a long-term solution to establish information-theoretically secure keys between two distant users. In practice, with a careful characterization of quantum sources and the decoy-state method, measure-device-independent quantum key distribution (MDI-QKD) provides secure key distribution. While short-distance fibre-based QKD has already been available for real-life implementation, the bottleneck of practical QKD lies on the limited transmission distance. Due to photon losses in transmission, it was believed that the key generation rate is bounded by a linear function of the channel transmittance, $O(η)$, without a quantum repeater, which puts an upper bound on the maximal secure transmission distance. Interestingly, a new phase-encoding MDI-QKD scheme, named twin-field QKD, has been suggested to beat the linear bound, while another variant, named phase-matching quantum key distribution (PM-QKD), has been proven to have a quadratic key-rate improvement, $O(\sqrtη)$. In reality, however, the intrinsic optical mode mismatch of independent lasers, accompanied by phase fluctuation and drift, impedes the successful experimental implementation of the new schemes. Here, we solve this problem with the assistance of the laser injection technique and the phase post-compensation method. In the experiment, the key rate surpasses the linear key-rate bound via 302 km and 402 km commercial-fibre channels, achieving a key rate over 4 orders of magnitude higher than the existing results in literature. Furthermore, with a 502 km ultralow-loss fibre, our system yields a secret key rate of 0.118 bps. We expect this new type of QKD schemes to become a new standard for future QKD.

研究の動機と目的

• 実用的量子鍵配送（QKD）システムにおける根本的な線形レート・透過率限界O(η)を克服すること。
• 独立レーザーを用いたPM-QKD方式における位相不安定性およびモード不一致の実験的課題に対処すること。
• 位相一致技術を用いて、従来のMDI-QKDの限界を超えた長距離・高レートの秘密鍵生成を達成すること。
• PM-QKDが将来の量子通信ネットワークにおけるスケーラブルで安全かつ高性能な基準として実現可能であることを検証すること。

提案手法

• アリスとボブが使用する独立レーザーの位相を同期するために、レーザー注入ロックを採用し、位相ドリフトおよびモード不一致を最小限に抑えた。
• 伝送後の残留位相フラクチュエーションを補正するための位相後処理補正法を実装し、チャーリー局所で安定した干渉を確保した。
• コherent状態に鍵情報を符号化するために、D=16の離散位相ビンを用いた位相スライス符号化方式を採用した。
• 光子数スプリッティング攻撃の存在下でのセキュリティ強化のため、おとり状態法を適用した。
• 302 kmおよび402 kmの商用ファイバー、および502 kmの超低損失ファイバーを用いた実験を行い、制御された位相および強度設定下での検出率と鍵生成を測定した。
• チャーリーがアリスとボブからのパルスの共同測定を実行し、位相差を検出する対称的MDI-QKDアーキテクチャを用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実用的ファイバー路で位相一致技術を用いて、QKDにおけるO(η)レート・透過率限界を実験的に超えることは可能か？
• RQ2 独立レーザー光源における位相不安定性およびモード不一致は、どのように緩和可能か？これにより長距離PM-QKDが可能になるか？
• RQ3 実用的位相補正を用いた位相一致QKDで、500 kmのファイバーを想定した場合の達成可能な秘密鍵レートはどの程度か？
• RQ4 提案された方式は、実世界のファイバー環境下でも、従来のMDI-QKDの限界を超えた高い鍵レートを維持できるか？
• RQ5 レーザー注入を用いた位相一致QKDにおいて、伝送距離、鍵レート、システム安定性の間の性能トレードオフはどのようなものか？

主な発見

• 超低損失ファイバー502 kmで秘密鍵レート0.118 bpsを達成し、従来の結果と比較して4桁以上も向上した。
• 302 kmおよび402 kmの商用ファイバーでも、O(η)線形限界を超える鍵レートが達成され、理論で予測された2次効果の改善が実証された。
• レーザー注入と位相後処理補正により、長距離にわたり安定した干渉が実現され、従来の実験的PM-QKDを阻害していた位相ドリフトおよびモード不一致の問題が克服された。
• 実験データは16個の位相スライスすべてで一貫した検出率を示し、干渉縞の高視認度が確認され、位相スライス符号化および測定方式の妥当性が裏付けられた。
• 透過率が10^-6未満の状態でも、安全な鍵生成が維持されたことから、現実の損失条件下での長距離QKDの実現可能性が確認された。
• 結果から、PM-QKDが実際の運用でO(√η)の鍵レートスケーリングを達成でき、従来のMDI-QKDのO(η)スケーリングを著しく上回ることが示された。