[논문 리뷰] Distribution of Telecom Entangled Photons through a 7.7 km Antiresonant Hollow-Core Fiber

Michael Antesberger, Carla M. D. Richter외 7명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 02.

Quantum Information and CryptographyComputer Science참고 문헌 51인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 7.7 km의 반공진 허브 코어 섬유(AR-HCF)를 통해 통신 파장 대역의 시간-빈 양자 얽힌 광자를 처음으로 장거리로 분포시켰으며, 높은 정밀도로 얽힘 유지 성능을 달성하였다. AR-HCF의 낮은 색산성 분산 특성 덕분에 기존의 고체 코어 섬유에 비해 더 작은 시간-빈 간격(최소 140 ps)을 구현할 수 있었으며, 이는 시간-빈 양자 키 분배 프로토콜에서의 안전 키 생성 속도를 크게 향상시켰다.

ABSTRACT

State of the art classical and quantum communication rely on standard optical fibers with solid cores to transmit light over long distances. However, recent advances have led to the emergence of antiresonant hollow-core optical fibers (AR-HCFs), which due to the novel fiber geometry, show remarkable optical guiding properties, which are not as limited by the material properties as solid-core fibers. In this paper, we explore the transmission of entangled photons through a novel 7.7 km AR-HCF in a laboratory environment at 1550 nm, presenting the first successful demonstration of entanglement distribution via a long AR-HCF. In addition to showing these novel fibers are compatible with long distance quantum communication, we highlight the low latency and low chromatic dispersion intrinsic to AR-HCF, which can increase the secure key rate in time-bin based quantum key distribution protocols.

연구 동기 및 목표

• 우수한 광학적 특성을 지닌 새로운 유형의 섬유인 반공진 허브 코어 섬유(AR-HCF)를 통해 시간-빈 얽힌 광자를 장거리로 분포시키는 것을 입증하는 것.
• 특히 C 대역으로의 양자 소스 주파수 이동과 고비용 검출기의 사용이 요구되는 기존 고체 코어 섬유의 한계를 해결하는 것.
• 표준 SMF28 섬유와 비교하여 다양한 시간-빈 간격에서 AR-HCF가 얽힘 허용도 유지 성능을 어떻게 보이는지 평가하는 것.
• AR-HCF를 사용한 장거리 양자 통신에서 색산성 분산과 검출기 잡음의 영향을 정량화하여 얽힘 허용도에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 양자 장치의 천연 파장에서의 작동을 지원하는 넓은 대역폭을 갖춘 미래의 광역 양자 네트워크를 위한 기반으로 AR-HCF를 확립하는 것.

제안 방법

• 1550 nm에서 자발적 비선형 주파수 분할을 이용한 양자 소스를 통해 편광-시간-빈 얽힌 벨 상태 |Ψ⁻⟩를 생성.
• 1550 nm에서 색산성 분산 계수가 약 2 ps/nm·km인 7.72 km의 AR-HCF를 통해 시간-빈 큐비트를 전송.
• 전송 후 시간-빈 큐비트를 측정하기 위해 낮은 잡음 특성을 지닌 초도체 나노와이어 단광자 검출기(SNSPDs)를 사용.
• 이중 큐비트 양자 상태 토모그래피를 통해 밀도 행렬을 재구성하고, 농도와 순수도를 통해 얽힘 허용도를 정량화.
• 다양한 시간-빈 간격(Δt)에서 AR-HCF와 표준 SMF28 섬유 간의 얽힘 유지 성능을 비교.
• 작은 Δt에서의 겹침 시간-빈 효과를 검출기 오류 카운트로 모델링하여 관측된 농도와 순수도 저하를 해석.

Figure 1: Experimental Apparatus: a) A schematic of the full experimental setup. Panel b) shows a simplified “unfolded” setup with color coded panels corresponding to different sections of Panel a) . See the main text for a detailed explanation of each section of the experiment. Panel c) displays a

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반공진 허브 코어 섬유를 통해 7.7 km 거리에서 시간-빈 얽힌 광자를 손실이 크게 없이 성공적으로 분포시킬 수 있는가?
• RQ2 작은 시간-빈 간격에서 AR-HCF의 색산성 분산 특성이 표준 SMF28 섬유에 비해 얽힘 유지 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 검출기 잡음이 AR-HCF에서 얽힘 허용도에 미치는 제한 정도는 어떻게 되며, 색산성 분산에 비해 어느 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 AR-HCF는 SMF28에 비해 더 작은 시간-빈 간격을 지원할 수 있는가? 이는 시간-빈 QKD에서 더 높은 안전 키 생성 속도를 가능하게 하는가?
• RQ5 섬유의 낮은 비선형성과 거의 빛의 속도에 가까운 군속도가 양자 네트워크의 확장성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 7.7 km의 AR-HCF를 통한 얽힘 분포가 성공적으로 이루어졌으며, 편광성 분해 효과로 인해 농도는 0.9482 ± 0.0007에서 0.901 ± 0.006으로, 순수도는 0.9493 ± 0.0008에서 0.875 ± 0.006으로 감소하였다.
• AR-HCF는 시간-빈 간격이 140 ps까지도 높은 얽힘 허용도를 유지하는 반면, SMF28 섬유는 Δt ≈ 300 ps에서 심한 허용도 손실을 보였다.
• AR-HCF의 낮은 분산 특성 덕분에 품질 저하 없이 더 작은 시간-빈 간격을 구현할 수 있어, 시간-빈 QKD 프로토콜의 키 생성 속도 향상이 가능하다.
• 작은 Δt에서 관측된 품질 저하는 주로 검출기 잡음에 기인하며, 색산성 분산이 주요 제한 요소가 아니라는 점을 시사한다.
• AR-HCF의 낮은 분산(2 ps/nm·km)과 거의 빛의 속도에 가까운 군속도는 저지연 및 고대역폭 양자 통신에 내재된 이점을 제공한다.
• 결과적으로 AR-HCF는 양자 소스의 천연 파장에서의 작동을 지원하여 주파수 이동과 고비용 InGaAs-APD 또는 SNSPD 시스템의 필요성을 피할 수 있음을 입증하였다.

Figure 2: Latency Measurements: a) The normalized arrival-time histogram between Photon 1 and 2 after transmission of the entangled time-bin qubit through either $7.7$ km of NANF (blue) or $7.8$ km SMF28 (red) fiber. The photons arrive $13.11\leavevmode\nobreak\ \mu$ s earlier when traversing the NA