[논문 리뷰] Overcoming the repeaterless bound in continuous-variable quantum communication without quantum memories

Matthew S. Winnel, Joshua J. Guanzon외 2명|arXiv (Cornell University)|2021. 05. 08.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 36인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 양자 기억장치가 없이도 이전에는 돌이킬 수 없다고 여겨졌던 PLOB 한계를 초월하는 연속형 변수 양자 중계기 프로토콜을 제안한다. 단일 양자 가위 장치를 사용해 동시에 얽힘 증강과 스위칭을 수행함으로써 이를 달성한다. 이는 선형 광학 기술과 기존 기술만으로도 양자 키 분배의 키 속도를 중계기 없는 한계를 초월하게 하며, 양자 기억장치를 활용해 더 긴 체인으로의 확장성과 노이즈 및 비완전성에 대한 강건성을 확보한다.

ABSTRACT

One of the main problems in quantum communications is how to achieve high rates at long distances. Quantum repeaters, i.e., untrusted, intermediate relay stations, are necessary to overcome the repeaterless bound which sets the fundamental rate-distance limit of repeaterless communications. In this work, we introduce a continuous-variable protocol which overcomes the repeaterless bound and scales like the single-repeater bound using just one linear-optical device called a "quantum scissor", combining the entanglement distillation and entanglement swapping elements of previous repeater proposals into a single step, thus, removing the need for quantum memories. Implementing a standard continuous-variable quantum key distribution protocol using our repeater we predict key rates which surpass the repeaterless bound. Our protocol works well for non-ideal single-photon sources and non-ideal single-photon detectors, and can tolerate some level of excess noise, making our protocol implementable with existing technology. We show that our scheme can be extended to longer repeater chains using quantum memories, using less physical resources than previous schemes. Furthermore, for applications beyond key distribution, our scheme generalises to higher order and distils more entanglement at the cost of a reduced probability of success.

연구 동기 및 목표

• 양자 기억장치가 필요 없이 연속형 변수 양자 통신에서 기본적인 PLOB 한계를 극복하는 것.
• 연속형 변수 시스템을 위한 확장 가능하고 자원 효율적인 양자 중계기 아키텍처를 개발하는 것.
• 양자 가위가 하나의 단계에서 얽힘 증강과 스위칭을 통합함으로써 손실에 강건한 릴레이로 기능할 수 있음을 입증하는 것.
• 비이상적인 구성 요소와 과잉 노이즈가 존재하는 현실 조건에서도 실용적이고 고속의 양자 키 분배를 가능하게 하는 것.
• 양자 기억장치를 활용해 다중 중계기 체인으로 프로토콜를 확장하면서도 물리적 자원 요구량을 줄이는 것.

제안 방법

• 프로토콜은 단일 양자 가위 장치를 사용해 노이즈 없는 선형 증폭과 포크 상태 절단을 수행함으로써 동시에 얽힘 증강과 스위칭을 가능하게 한다.
• 얽힘은 두 모드의 압축된 상태를 통해 생성되며, 양자 가위는 인접한 링크에서 온 도착 모드를 처리하는 릴레이 역할을 한다.
• 상태 저장이 필요 없도록 증강과 스위칭을 하나의 동작으로 통합함으로써 양자 기억장치 없이도 시스템이 작동한다.
• 공격자가 모든 소스와 검출기를 제어한다고 가정하고, 집합적 공격 하에서 코herent 상태와 이방향 검출을 사용해 비밀 키 속도를 계산한다.
• 더 긴 체인을 위해 양자 기억장치는 경고된 상태를 저장하고, 추가적인 양자 가위를 사용해 계층적 구조에서 얽힘 스위칭을 수행한다.
• 성공 확률은 확률적 단계에서 성공한 운영을 위해 필요한 평균 尝시도 수를 고려한 함수 $ Z_n(P) $ 를 사용해 모델링된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속형 변수 양자 통신에서 PLOB 한계는 양자 기억장치가 없이도 극복될 수 있는가?
• RQ2 단일 양자 가위 장치가 동시에 얽힘 증강과 스위칭을 수행함으로써 더 단순한 중계기 아키텍처를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 비이상적인 소스, 검출기 및 과잉 노이즈가 존재하는 현실 조건에서 이러한 프로토콜의 키 속도 성능은 어떠한가?
• RQ4 기존의 양자 중계기 기반 기술 대비 거리 및 자원 효율성 측면에서 프로토콜의 확장성은 어떠한가?
• RQ5 양자 기억장치를 활용해 자원 소모를 줄이며 다중 중계기 체인으로 프로토콜를 확장할 수 있는가?

주요 결과

• 프로토콜은 PLOB 한계를 초월하는 비밀 키 속도를 달성하여 중계기 없는 통신 대비 근본적인 성능 향상을 보였다.
• 비이상적인 단일 광자 소스와 검출기로도 성공적으로 작동하며, 과잉 노이즈 수준을 견딜 수 있어 현재 기술로도 실현 가능하다.
• 단일 양자 가위를 릴레이로 사용함으로써 손실에 강건한 작동이 가능하고, 양자 기억장치의 필요성을 제거해 아키텍처를 단순화시켰다.
• 세 개의 중계기 체인에서 프로토콜는 단일 중계기의 한계와 유사한 스케일링 성능을 보였으며, 이전의 방법보다 더 적은 물리적 자원을 사용해 234 km에서 PLOB 한계를 초월했다.
• 장거리에서 최종 상태의 순도는 높은 수준을 유지하였고, 중계기의 영향으로 PLOB 한계의 지수적 감쇠가 방지되었다.
• 고차원의 가위로 확장하면 더 많은 얽힘 증강이 가능하지만, 성공 확률은 감소한다.