[논문 리뷰] 600 km repeater-like quantum communications with dual-band stabilisation

Mirko Pittaluga, Mariella Minder외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 30.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이중파장 위상 안정화 기법을 제안하여 쌍필드 양자 키 분배(TF-QKD)의 성능을 향상시킨다. 고출력 기준 펄스와 양자 신호를 서로 다른 두 파장으로 분리함으로써 고출력 기준 펄스에서 발생하는 레일리 산란 노이즈를 제거한다. 이로 인해 비한계적 및 유한크기 영역에서 각각 605 km 및 555 km의 안정된 키율을 달성하며, 이는 장거리에서 이전의 단일파장 기법 대비 키율을 100배 향상시킨 반복기 유사 성능을 구현한다.

ABSTRACT

Twin-field (TF) quantum key distribution (QKD) fundamentally alters the rate-distance relationship of QKD, offering the scaling of a single-node quantum repeater. Although recent experiments have demonstrated the new opportunities for secure long-distance communications allowed by TF-QKD, formidable challenges remain to unlock its true potential. Previous demonstrations have required intense stabilisation signals at the same wavelength as the quantum signals, thereby unavoidably generating Rayleigh scattering noise that limits the distance and bit rate. Here, we introduce a novel dual-band stabilisation scheme that overcomes past limitations and can be adapted to other phase-sensitive single-photon applications. Using two different optical wavelengths multiplexed together for channel stabilisation and protocol encoding, we develop a setup that provides repeater-like key rates over record communication distances of 555 km and 605 km in the finite-size and asymptotic regimes respectively, and increases the secure key rate at long distance by two orders of magnitude to values of practical significance.

연구 동기 및 목표

• 고출력 안정화 신호와 양자 신호가 동일한 파장을 공유할 경우 발생하는 레일리 산란 노이즈의 근본적 한계를 극복하기 위해.
• 600 km 이상의 섬유에서 위상 드리프트를 안정화함으로써 실용적이고 장거리 양자 키 분배를 가능하게 하되, 신호 대 노이즈 비율을 저하시키지 않기 위해.
• 고출력 기준 신호와 저출력 양자 신호를 분리하여 성능 향상과 신호 감도 범위 확대를 달성하기 위해 이중파장 안정화 기법을 개발하기 위해.
• 실제 광섬유 환경에서 유한크기 영역에서 555 km, 비한계적 영역에서 605 km의 반복기 유사 키율을 실험적으로 구현하기 위해.

제안 방법

• 이중파장 안정화 기법은 단일 섬유에 두 개의 광학 파장을 다중화하여 적용한다: 하나는 고출력 위상 기준 신호용, 다른 하나는 양자 신호용.
• 고출력 기준 신호는 실시간으로 위상 드리프트를 안정화하여 잔류 드리프트를 1000배 이상 감소시키며, 이로 인해 저출력 양자 신호를 최종 위상 보정에 사용할 수 있다.
• 두 파장은 별도의 레이저에서 생성되며, 파장 분할 다중화(WDM) 기술을 통해 분리되어, 레일리 반사에 의한 양자 신호 오염을 방지한다.
• 오차 수정과 양자 비트 오류율의 바닥 레벨 제거를 위해 양방향 고전적 통신(TWCC) 프로토콜을 사용한다.
• 위상 일치는 기준 신호를 이용한 능동 피드백을 통해 달성되며, 양자 신호 탐지 또한 동일한 파장에서 이루어지지만 매우 낮은 강도로 진행된다.
• 기존 TF-QKD 프로토콜, 특히 송신 또는 미송신(SNS) 변종과 호환되며, 다른 위상 민감한 단일 광자 응용 분야로도 확장 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중파장 안정화 기법이 장거리 TF-QKD 시스템에서 레일리 산란 노이즈를 제거할 수 있는가?
• RQ2 이중파장 안정화 기법을 사용할 경우 600 km 섬유에서 도달 가능한 최대 안정 키율은 얼마인가?
• RQ3 장거리에서 이중파장 기법이 단일파장 기법 대비 키율과 오류율 측면에서 어떻게 비교되는가?
• RQ4 이중파장 기법이 현재의 509 km 기록을 초월해 실용적 양자 키 분배의 범위를 얼마나 연장할 수 있는가?
• RQ5 유한크기 영역에서 실용 QKD 시스템의 조건을 충족하면서도 이중파장 기법이 높은 키율을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 실제 양자 섬유 555.172 km에서 초당 1.777 비트의 안정 키율을 달성하였으며, 이는 유사 거리에서 이전의 단일파장 기법 대비 키율을 100배 향상시킨 것이다.
• 비한계적 영역에서 시스템은 605 km 거리에서 초당 14.68 비트의 안정 키율을 입증하였으며, PLOB 한계를 63.4배 초월하였다.
• 이중파장 기법은 단일파장 안정화 대비 위상 드리프트를 1000배 이상 감소시켜 600 km 이상의 섬유에서 안정된 운영을 가능하게 하였다.
• 양방향 고전적 통신 이후 Z-오류율은 1.22%로 감소하였으며, 보정 이전의 9.98%보다 현저히 낮아 효과적인 오류 보정이 이루어졌음을 보여준다.
• 비한계적 영역에서 실제 안정 키율과 PLOB 한계의 비율은 63.4에 도달하여 거의 최적의 성능임을 시사한다.
• 이 기법은 605 km 전송에서 14.68 비트/초의 키율을 달성하여, TF-QKD에서 반복기 유사 성능을 기록으로 설정하였다.