[논문 리뷰] High-rate intercity quantum key distribution with a semiconductor single-photon source

Jingzhong Yang, Zenghui Jiang외 14명|arXiv (Cornell University)|2023. 08. 30.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 64인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 통신 C밴드에서 방출되는 반도체 양자점 단일광자 소스를 사용하여 최초로 도시 간 양자 키 분배(QKD)를 구현한다. 79 km의 광섬유 링크에서 총 손실 25.49 dB로 운영되며, 펄스당 비밀 키율은 4.8×10⁻⁵ 비트이며, 점점 증가하는 최대 허용 손실은 28.11 dB에 이르며, 기존의 단일광자 소스 기반 QKD 시스템을 능가하고 약한 공명파동을 사용하는 디코herent 상태 QKD에 가까이 다가선다.

ABSTRACT

Quantum key distribution (QKD) enables the transmission of information that is secure against general attacks by eavesdroppers. The use of on-demand quantum light sources in QKD protocols is expected to help improve security and maximum tolerable loss. Semiconductor quantum dots (QDs) are a promising building block for quantum communication applications because of the deterministic emission of single photons with high brightness and low multiphoton contribution. Here we report on the first intercity QKD experiment using a bright deterministic single photon source. A BB84 protocol based on polarisation encoding is realised using the high-rate single photons in the telecommunication C-band emitted from a semiconductor QD embedded in a circular Bragg grating structure. Utilising the 79 km long link with 25.49 dB loss (equivalent to 130 km for the direct-connected optical fibre) between the German cities of Hannover and Braunschweig, a record-high secret key bits per pulse of 4.8 * 10^{-5} with an average quantum bit error ratio of ~ 0.65 % are demonstrated. An asymptotic maximum tolerable loss of 28.11 dB is found, corresponding to a length of 144 km of standard telecommunication fibre. Deterministic semiconductor sources therefore challenge state-of-the-art QKD protocols and have the potential to excel in measurement device independent protocols and quantum repeater applications.

연구 동기 및 목표

• 실제 도시 간 광섬유 네트워크에서 결정적 반도체 단일광자 소스를 사용하여 고속도, 장거리 QKD를 구현하고자 한다.
• 약한 공명파동 소스의 한계, 즉 광자 수 분할 공격에 대한 취약성과 낮은 비밀 키율을 해결하고자 한다.
• 반도체 양자점이 향후 양자 통신 네트워크를 위한 확장 가능하고 고성능의 소스로 실현 가능함을 검증하고자 한다.
• 실제 채널 조건 하에서 실질적인 장거리 QKD 구현에서 결정적 단일광자 소스의 성능을 평가하고자 한다.

제안 방법

• 1550 nm의 통신 C밴드에서 작동하는 결정적 고광도 단일광자를 생성하기 위해 원형 브라그 격자 구조에 내장된 반도체 양자점이 사용된다.
• 광자 소스와 자유공간 빔 스플리터를 사용하여 편광 인코딩을 적용한 BB84 프로토콜이 구현된다.
• 실험은 독일 한노버와 브라운슈바이크 사이에 설치된 79 km의 광섬유 링크에서 수행되며, 총 손실은 25.49 dB이다.
• 평균적으로 양자 비트 오류율(QBER)은 0.65%로 측정되어 높은 신호 품질과 낮은 노이즈를 나타낸다.
• 비밀 키율(SKR)은 점점 증가하는 근사치와 유한 키 영역 모두에서 평가되며, 소스 효율, 광자 순도, 시스템 다크 카운트 최적화가 이루어진다.
• 이론적 모델링은 향후 실현 가능한 향상 조건 하에서 점점 증가하는 최대 허용 손실이 54.1 dB에 이르며, 이는 표준 섬유 기준 276.58 km에 해당함을 예측한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 결정적 반도체 단일광자 소스는 실질적인 손실 예산을 가진 도시 간 광섬유 링크에서 고속도 QKD를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 약한 공명파동을 사용하는 최첨단 디코herent 상태 QKD와 비교해 볼 때, 양자점 기반 QKD 시스템의 비밀 키율은 어떻게 되는가?
• RQ3 실제 구현에서 단일광자 소스 기반 QKD 시스템이 허용할 수 있는 최대 손실은 얼마인가?
• RQ4 소스 효율, 광자 순도, 다크 카운트율 등의 시스템 파라미터는 비밀 키율과 손실 내성에 얼마나 큰 영향을 미치는가?
• RQ5 반도체 양자점은 측정 장치에 의존하지 않는 네트워크 및 양자 중계기 기반 양자 네트워크의 실현 가능한 구성 요소로 활용될 수 있는가?

주요 결과

• 79 km의 광섬유 링크에서 총 손실 25.49 dB로 실험적으로 비밀 키율 4.8×10⁻⁵ 비트/펄스를 달성하였다.
• 평균적으로 양자 비트 오류 비율(QBER)은 0.65%로 측정되어 시스템의 높은 신호 품질과 낮은 노이즈를 나타낸다.
• 점점 증가하는 최대 허용 손실 28.11 dB를 실험적으로 입증하였으며, 이는 표준 섬유 기준 143.71 km의 이론적 전송 거리에 해당한다.
• 비밀 키율 측면에서 이전에 보고된 모든 단일광자 소스 기반 QKD 시스템을 능가하는 성능을 보였다.
• 이론적 모델링은 소스 효율, 광자 순도, 다크 카운트 억제 향상의 실현 가능 향상 조건 하에서 최대 허용 손실 54.1 dB(276.58 km)를 달성할 수 있음을 시사한다.
• 결과적으로 반도체 양자점 소스가 추가 최적화 없이도 기존의 약한 공명파동 기반 디코herent 상태 QKD의 성능을 따라하거나 초월할 수 있음을 보여준다.