[논문 리뷰] Fiber based high-dimensional quantum communication with twisted photons

Daniele Cozzolino, Davide Bacco외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 27.

Orbital Angular Momentum in Optics참고 문헌 31인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 1.2 km 길이의 광섬유를 통해 원통형 운동량(OAM) 모드에 있는 광자를 이용하여 최초로 고차원(고차원) 양자 상태를 실험적으로 전송함을 보여준다. 실시간 비밀번호 상태 프로토콜을 사용하여 OAM 기반 양자 키 분배(QKD)에서 지금까지 가장 높은 기밀 키율과 가장 긴 전송 거리를 달성하였다.

ABSTRACT

Quantum communication (QC) concerns the faithful transmission of quantum states between separated parties, and represents a key enabler for many quantum applications, ranging from quantum key distribution (QKD) to distributed quantum computing. However, low information rates and short propagation distances, due to high channel losses and perturbations of the quantum states, limit the development of this field and its practical applications. High-dimensional (Hi-D) quantum communication can address these challenges by adding more information per photon, directly enhancing the information rate and the system's error tolerance. We transmit Hi-D quantum states using photons prepared in four orbital angular momentum (OAM) modes in a 1.2 km long OAM-carrying fiber. This is the first experimental demonstration of Hi-D quantum states transmission using the OAM basis over an optical fiber. Furthermore, we successfully implement a real-time decoy-state Hi-D QKD protocol, and demonstrate the highest secret key rate and longest transmission distance of OAM-QKD presented to date.

연구 동기 및 목표

• 채널 손실과 상태 왜곡으로 인한 정보 전송 속도 저하 및 짧은 전송 거리 문제를 해결하기 위해.
• 고차원 양자 상태를 활용하여 양자 통신의 정보 용량과 오류 내성 향상.
• 광섬유를 통해 궤도 운동량(OAM) 모드에 코딩된 고차원 양자 상태의 전송 가능성을 입증하기 위해.
• 섬유 기반 시스템에서 고차원 양자 키 분배(Hi-D QKD)를 위한 실시간 비밀번호 상태 프로토콜을 구현하기 위해.
• 지금까지 보고된 바 중에서 OAM 기반 QKD에서 가장 높은 기밀 키율과 가장 긴 전송 거리를 달성하기 위해.

제안 방법

• 광자의 네 가지 별개의 궤도 운동량(OAM) 모드에 양자 정보를 코딩하여 고차원 양자 상태를 생성하기 위해.
• OAM 모드를 유지하도록 설계된 1.2 km 길이의 섬유를 통해 이러한 OAM 코딩 상태를 전송하기 위해.
• 고차원 QKD에서 광자 수 분할 공격를 억제하기 위해 실시간 비밀번호 상태 프로토콜을 구현하기 위해.
• 전송 중 일관성과 정밀도를 유지하기 위해 능동적 상태 준비 및 측정 기술을 사용하기 위해.
• 네 가지 OAM 모드를 고정밀도로 구분하기 위해 단일 광자 탐지기와 모드 선택 측정 시스템을 활용하기 위해.
• 손실 최소화와 모드 구분의 해상도 최대화를 통해 고기밀 키율을 극대화하기 위해 시스템 최적화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 궤도 운동량(OAM) 모드에 코딩된 고차원 양자 상태가 1.2 km 길이의 광섬유를 통해 성공적으로 전송될 수 있는가?
• RQ2 실시간 비밀번호 상태 프로토콜을 사용한 섬유 기반 OAM-QKD 시스템에서 도달 가능한 최대 기밀 키율은 얼마인가?
• RQ3 섬유 환경에서 OAM 기반 양자 키 분배를 위한 가장 긴 전송 거리는 얼마인가?
• RQ4 고차원 코딩을 사용할 경우 섬유 기반 양자 통신에서 정보 전송 속도와 오류 내성은 어떻게 향상되는가?
• RQ5 장거리 섬유에서 고차원 OAM-QKD 시스템에 실시간 비밀번호 상태 프로토콜을 효과적으로 구현할 수 있는가?

주요 결과

• 1.2 km 길이의 광섬유를 통해 궤도 운동량(OAM) 모드에 코딩된 고차원 양자 상태 전송에 대한 최초의 실험적 성공이 달성되었다.
• 이 시스템은 섬유 환경에서 OAM 기반 양자 키 분배에 대해 지금까지 보고된 바 중 가장 높은 기밀 키율을 달성하였다.
• 1.2 km의 전송 거리는 지금까지 기록된 바 중에서 OAM-QKD가 광섬유에서 구현된 가장 긴 거리이다.
• 실시간 비밀번호 상태 프로토콜은 보안성을 크게 향상시키고 현실적인 채널 조건 하에서도 고정밀도 키 생성을 가능하게 하였다.
• OAM 모드 구분의 정밀도가 높은 수준을 유지되어 OAM 상태가 장거리 양자 통신에 실현 가능함을 확인하였다.
• 결과적으로 고차원 코딩이 OAM 모드에 적용될 경우 섬유 기반 양자 통신 시스템의 정보 용량과 내성 향상에 효과적으로 기여할 수 있음을 입증하였다.