[논문 리뷰] Perspectives of microwave quantum key distribution in open-air

Florian Fesquet, Fabian Kronowetter외 9명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 10.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 열대 기상 조건에서 200미터까지 실온에서 무조건적 안전성을 확보하는 오픈 에어 환경에서의 연속 변수 마이크로파 양자 키 분배(MQC)를 제안하며, 마이크로파 대역(1–10 GHz)에서 이동된 압축 상태를 사용한다. 기상 조건이 열 劣한 상황에서 마이크로파는 통신 파장 QKD보다 성능이 뛰어나며, 마이크로파 대역에서의 대기 손실이 낮고 노이즈에 강건하기 때문이다.

ABSTRACT

One of the cornerstones of quantum communication is the unconditionally secure distribution of classical keys between remote parties. This key feature of quantum technology is based on the quantum properties of propagating electromagnetic waves, such as entanglement, or the no-cloning theorem. However, these quantum resources are known to be susceptible to noise and losses, which are omnipresent in open-air communication scenarios. In this work, we theoretically investigate the perspectives of continuous-variable open-air quantum key distribution at microwave frequencies. In particular, we present a model describing the coupling of propagating microwaves with a noisy environment. Using a protocol based on displaced squeezed states, we demonstrate that continuous-variable quantum key distribution with propagating microwaves can be unconditionally secure at room temperature up to distances of around 200 meters. Moreover, we show that microwaves can potentially outperform conventional quantum key distribution at telecom wavelength at imperfect weather conditions.

연구 동기 및 목표

• 오픈 에어 환경에서 마이크로파를 사용한 연속 변수 양자 키 분배(CV-QKD)의 실현 가능성을 조사하는 것.
• 장거리 마이크로파 양자 통신에서 대기 노이즈와 손실에 대응하는 것.
• 실제 기상 조건 하에서 마이크로파 기반 QKD 성능을 기존 통신 파장 QKD와 비교하는 것.
• 환경 노이즈 존재 하에서 이동된 압축 상태를 사용한 마이크로파 CV-QKD의 보안성을 평가하는 것.
• 실온에서 오픈 에어 환경에서 마이크로파 QKD가 달성할 수 있는 최대 안전 거리를 규명하는 것.

제안 방법

• 노이즈가 있는 환경과의 결합을 고려한 이론적 프레임워크를 사용해 오픈 에어에서의 마이크로파 전파를 모델링한다.
• 마이크로파 주파수(1–10 GHz)에서 가우시안 조절을 사용한 일방향 준비-측정 CV-QKD 프로토콜을 적용한다.
• 전자기장의 한 쌍극자 성분을 동조 검출을 통해 측정하여 연속 변수에 정보를 인코딩한다.
• 오차 수정 및 비밀 키율 추정을 위해 역재정렬(RR)과 직접 재정렬(DR)을 고전적 후처리에 사용한다.
• 엔트레일링 클로너 공격 하에서 애완동물의 홀로 정보를 공분산 행렬과 본 네움 엔트로피를 사용해 정량화하여 보안성을 평가한다.
• 실제 대기 손실과 열 노이즈 모델을 통합하여 다양한 기상 조건 하에서의 성능을 시뮬레이션한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 연속 변수 마이크로파 QKD는 실온에서 오픈 에어 환경에서 무조건적 안전성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 실제 대기 조건 하에서 오픈 에어에서 마이크로파 기반 QKD의 최대 안전 통신 거리는 얼마인가?
• RQ3 기상 조건이 열 劣한 상황에서 마이크로파 QKD 성능은 기존 통신 파장 QKD와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 환경 노이즈와 손실이 오픈 에어 환경에서 마이크로파 QKD에 얼마나 제한을 가하는가?
• RQ5 실온에서의 열 배경 노이즈가 존재하더라도 이동된 압축 상태는 마이크로파 대역에서 안전한 키 분배를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 이동된 압축 상태를 사용한 마이크로파 QKD는 실온에서 오픈 에어 환경에서 약 200미터까지 무조건적 안전성을 확보한다.
• 이 프로토콜은 중간에서 높은 수준의 노이즈와 손실이 존재하는 실제 대기 조건 하에서도 안전한 키율을 유지한다.
• 기상 조건이 열 劣한 상황에서 마이크로파는 기존 통신 파장 QKD보다 성능이 뛰어나며, 마이크로파 주파수에서의 대기 흡수 손실이 낮고 산산이 흩어지는 현상이 적기 때문이다.
• 역재정렬은 높은 노이즈와 손실이 존재하는 상황에서 비밀 키율과 보안 여유를 크게 향상시킨다.
• 이론적 모델은 실온에서 일반적인 열 배경 노이즈 수준이 존재하더라도 마이크로파 기반 CV-QKD가 여전히 실현 가능하다고 확인한다.
• 현재 초도체 주형 파라미터 증폭기로 구현 가능한 마이크로파 소스에서 최대 10 dB의 압축 수준을 달성할 수 있다.