[論文レビュー] Underwater Quantum Key Distribution in Outdoor Conditions with Twisted Photons

Frédéric Bouchard, Alicia Sit+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 29被引用数 8

ひとこと要約

本研究では、屋外の水中環境でねじれ光子（軌道的角運動量状態）を用いた水中量子鍵配送を実証し、3 mの乱流を伴う水中リンクにおいて2次元および3次元BB84プロトコルで正の秘密鍵レートを達成した。乱流に起因するビーム歪み（主に乱視）は、量子ビット誤り率（QBER）を上昇させ、4次元プロトコルでは秘密鍵レートが得られなくなるが、適応オプティクスを用いることで歪みを補正し、高次元のセキュアな通信が可能になる可能性がある。

ABSTRACT

Quantum communication has been successfully implemented in optical fibres and through free-space [1-3]. Fibre systems, though capable of fast key rates and low quantum bit error rates (QBERs), are impractical in communicating with destinations without an established fibre link [4]. Free-space quantum channels can overcome such limitations and reach long distances with the advent of satellite-to-ground links [5-8]. Shorter line-of-sight free-space links have also been realized for intra-city conditions [2, 9]. However, turbulence, resulting from local fluctuations in refractive index, becomes a major challenge by adding errors and losses [10]. Recently, an interest in investigating the possibility of underwater quantum channels has arisen, which could provide global secure communication channels among submersibles and boats [11-13]. Here, we investigate the effect of turbulence on an underwater quantum channel using twisted photons in outdoor conditions. We study the effect of turbulence on transmitted QBERs, and compare different QKD protocols in an underwater quantum channel showing the feasibility of high-dimensional encoding schemes. Our work may open the way for secure high-dimensional quantum communication between submersibles, and provides important input for potential submersibles-to-satellite quantum communication.

研究の動機と目的

• 屋外の乱流を伴う水中チャネルにおいて、軌道的角運動量（OAM）状態を用いた高次元量子鍵配送（QKD）の実現可能性を調査すること。
• 屋外の水中乱流がOAMモードの伝送および量子ビット誤り率（QBER）に与える影響を同定すること。
• 現実的な水中環境下における異なるQKDプロトコル（2次元、3次元、4次元BB84）の性能を比較すること。
• 自然水中環境下でOAM符号化光子を用いた水中潜水機から衛星への将来の量子通信の可能性を評価すること。
• 適応オプティクスが水中QKDシステムにおける乱流に起因する歪みを補正する可能性を評価すること。

提案手法

• 3 mの屋外プールを通って635 nmのガウシアンビームを送信し、短時間露光のCCD画像を用いて乱流を特徴付けた。
• ゲルクスバーグ＝サクソン法（GSA）を用いて強度画像からビームの位相プロファイルを再構成し、位相の復元を実現した。
• 再構成された位相をゼルニケ多項式に分解し、乱視やディフォーカスなどの歪みを定量的に評価した。
• 710 nmの陽性単一光子源を、ppKTP結晶における自己励起パラメトリック下変換により生成し、イディア光子を943 nmでヒーロードした。
• アリス側で空間光変調器（SLM）を用いてOAM状態（ℓ = 0, ±1, ±2）を生成し、ボブ側でモード分離装置を用いて測定した。
• 5 nsのウィンドウを用いた一致検出によりエンタングルド光子対の検証を行い、各OAM次元ごとのQBERを計算した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 水中乱流は屋外の水中チャネルにおけるOAM符号化光子の伝送にどのように影響を与えるか？
• RQ2 乱流を伴う水中リンクにおいて、ねじれ光子を用いた2次元、3次元、4次元BB84プロトコルで達成可能な最大の秘密鍵レートはどの程度か？
• RQ3 乱流に起因する歪み（たとえば乱視）がOAM状態の忠実度をどの程度低下させ、QBERを上昇させるか？
• RQ4 適応オプティクスシステムは、水中環境における乱流の影響を軽減し、高次元QKDを安全に実現可能にするか？
• RQ5 実世界の屋外条件下における異なるOAMベースのQKDプロトコルのQBERは、どのように比較されるか？

主な発見

• 2次元BB84プロトコルは、1光子あたり0.185ビットの秘密鍵レートを達成し、3次元プロトコルを上回った。
• 3次元BB84プロトコルは、1光子あたり0.175ビットの秘密鍵レートを示し、2次元プロトコルよりわずかに低かった。
• 4次元BB84プロトコルではQBERが20.1%に達し、18.93%の誤り閾値を上回ったため、鍵配布には不適切であった。
• 乱流に起因するビーム歪み、特に乱視が主な歪み要因であり、高次のOAM状態間のクロストークが増加した。
• 乱流の周波数は数十Hzのオーダーであり、SLMを用いた適応オプティクスによるリアルタイム補正が可能であると考えられた。
• 本研究は、OAMベースのQKDが現在の乱流レベルでは屋外の水中環境で実現可能であるが、3次元符号化までに限られることを確認した。