[논문 리뷰] GHz QKD at telecom wavelengths using up-conversion detectors

Rob Thew, S. Tanzilli외 7명|CERN Bulletin|2005. 12. 07.

Advanced Optical Sensing Technologies참고 문헌 1인용 수 78

한 줄 요약

이 논문은 간섭계수를 기반으로 한 주기적으로 균일한 리튬 niobate 파동도파로 구성된 up-conversion 검출기와 저잡음 Si 단일광자 압축 다이오드(SPADs)를 사용하여 통신 파장에서 GHz 속도의 양자 키 분배(QKD) 시스템을 제안한다. 하이브리드 검출 기반으로 연속파 작동이 가능하며 높은 시간 해상도를 확보하여 25 km의 표준 섬유에서 1.27 GHz의 큐비트 속도와 100 kbit/s 이상의 안전한 키 속도를 달성하였으며, QBER는 2% 이하로 유지되었다.

ABSTRACT

We have developed a hybrid single photon detection scheme for telecom wavelengths based on nonlinear sum-frequency generation and silicon single-photon avalanche diodes (SPADs). The SPAD devices employed have been designed to have very narrow temporal response, i.e. low jitter, which we can exploit for increasing the allowable bit rate for quantum key distribution. The wavelength conversion is obtained using periodically poled Lithium niobate waveguides (W/Gs). The inherently high efficiency of these W/Gs allows us to use a continuous wave laser to seed the nonlinear conversion so as to have a continuous detection scheme. We also present a 1.27GHz qubit repetition rate, one-way phase encoding, quantum key distribution experiment operating at telecom wavelengths that takes advantage of this detection scheme. The proof of principle experiment shows a system capable of MHz raw count rates with a QBER less than 2% and estimated secure key rates greater than 100 kbit/s over 25 km.

연구 동기 및 목표

• 기존의 InGaAs SPADs가 통신 대역 QKD에서 가지는 한계를 극복하기 위해 고속, 저잡음 검출 기반 기술을 개발한다.
• 통신 파장의 광자를 실리움 검출 대역으로 이동시키는 파장 상승 변환을 활용하여 장거리에서 고비트율 QKD를 실현한다.
• 저잡음 Si SPADs와 비선형 주파수 변환을 조합하여 위상 인코딩 QKD에서 연속적이고 자유주기 작동의 가능성을 입증한다.
• BB84 및 SARG 프로토콜을 모두 사용하여 25 km 거리에서 100 kbit/s 이상, 50 km 거리에서 20 kbit/s 이상의 안전한 키 속도를 달성하고, QBER의 최소한의 악화를 이룰 수 있도록 한다.

제안 방법

• 1550 nm의 통신 파장 광자를 실리콘 검출 대역(800–1000 nm)으로 변환하기 위해 주기적으로 균일한 리튬 니오브산염(PPLN) 파동도파에서 비선형 합주 주파수 생성(SFG)을 이용한다.
• 시간 잡음이 약 40 ps인 저잡음 실리콘 SPADs를 사용하여 고시간 해상도와 MHz 수준의 광자 카운팅 속도를 확보한다.
• 약한 공명 파동을 사용하는 1.27 GHz 반복 주파수의 일방향 위상 인코딩 QKD 시스템에 up-conversion 검출기를 통합한다.
• 신뢰할 수 있는 장치 모델과 개별 공격을 기반으로 한 보안 분석을 수행하기 위해 BB84 및 SARG 프로토콜을 사용하고, 기초 선택 및 오류 정정을 적용한다.
• 이론적 기반으로서 디코herence 상태 QKD 및 SARG 프로토콜 보안 이론을 활용하여 실험적 QBER 및 원시 카운트 속도를 바탕으로 안전한 키 속도를 추정한다.
• 실제 채널 손실과 노이즈 조건 하에서 안전한 키 속도를 최대화하기 위해 평균 광자 수(μ) 및 검출 효율 등의 시스템 파라미터를 최적화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 저잡음 Si SPADs를 사용한 up-conversion 검출이 실용적인 안전한 키 속도를 확보하면서 통신 파장에서 GHz 속도의 QKD를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 PPLN 파동도파 기반 SFG와 고속 Si SPADs의 조합이 장거리 QKD에서 QBER와 검출 효율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 이 검출 기반 기술을 사용하여 25 km 및 50 km의 표준 섬유에서 BB84 및 SARG 프로토콜의 기대 가능한 원시 키 속도와 안전한 키 속도는 얼마인가?
• RQ4 색산성 분산이 시스템 성능에 어떤 영향을 미치며, 현재의 검출 및 시스템 파라미터로 이를 보완할 수 있는가?
• RQ5 시스템은 시간 해상도나 키 속도에 영향을 주지 않고 연속적이고 자유주기 작동이 가능한가?

주요 결과

• BB84 프로토콜을 사용하여 25 km 거리에서 원시 키 속도 710 kbit/s, 안전한 키 속도 135 kbit/s, QBER 1.84%를 달성하였다.
• SARG 프로토콜을 사용하여 25 km 거리에서 원시 키 속도 2.04 Mbit/s, 안전한 키 속도 140 kbit/s, QBER 1.82%를 달성하였다.
• 50 km 거리에서는 SARG 프로토콜을 사용할 경우 안전한 키 속도 20 kbit/s, BB84 프로토콜을 사용할 경우 2 kbit/s를 달성하여 SARG의 손실에 대한 뛰어난 내성과 우수성을 입증하였다.
• 실험적 QBER 값이 이론적 예측과 매우 유사하게 일치하여 색산성 분산의 영향이 최소한임을 시사하였으며(50 km 기준 약 ~0.3%로 추정됨), 이는 시스템의 안정성을 뒷받침한다.
• Si-SFG 검출기는 단일광자 검출 효율이 5% 이상을 기록하였지만, 여전히 상당한 노이즈가 존재하여 향후 최적화가 필요하다.
• 시스템은 MHz 수준의 카운팅 속도와 저시간 잡음을 확보하여 연속적이고 자유주기 작동이 가능했으며, 시간 제약 없이 고속 QKD를 실현하였다.