[논문 리뷰] Resource-effective Quantum Key Distribution: a field-trial in Padua city center

Marco Avesani, Luca Calderaro외 10명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 15.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 32인용 수 38

한 줄 요약

이 논문은 이탈리아 패두아에서 3.4km의 도시 섬유를 통해 자가정합 iPOGNAC 편광 인코더와 Qubit4Sync 시간 동기화를 사용하여 자원 효율적인 양자 키 분배(QKD) 현장 시험을 수행한다. 시스템은 실제 환경 조건에서 낮은 양자 비트 오류율(QBER)과 안정된 기밀 키율을 달성하였으며, 기존 통신 인프라에 쉽게 구축할 수 있는 저복잡도, 신속한 구현 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

Field-trials are of key importance for novel technologies seeking commercialization and wide-spread adoption. This is certainly also the case for Quantum Key Distribution (QKD), which allows distant parties to distill a secret key with unconditional security. Typically, QKD demonstrations over urban infrastructures require complex stabilization and synchronization systems to maintain a low Quantum Bit Error (QBER) and high secret key rates over time. Here we present a field-trial which exploits a low-complexity self-stabilized hardware and a novel synchronization technique, to perform QKD over optical fibers deployed in the city center of Padua, Italy. In particular, two techniques recently introduced by our research group are evaluated in a real-world environment: the iPOGNAC polarization encoder was used for the preparation of the quantum states, while the temporal synchronization was performed using the Qubit4Sync algorithm. The results here presented demonstrate the validity and robustness of our resource-effective QKD system, that can be easily and rapidly installed in an existing telecommunication infrastructure, thus representing an important step towards mature, efficient and low-cost QKD systems.

연구 동기 및 목표

• 기존 통신 네트워크에 실용적으로 구현 가능한 저복잡도, 자원 효율적인 QKD 시스템을 입증하기 위해.
• 실제 도시 환경에서 실험실 외부에서 iPOGNAC 편광 인코더와 Qubit4Sync 동기화 방법을 검증하기 위해.
• 메트로폴리탄 시내 중심부의 3.4km 섬유 링크에서 낮은 QBER로 안정적인 기밀 키율을 달성하기 위해.
• 실험실 기반 QKD 실험과 상용화 및 확장 가능한 QKD 시스템 간 격차를 메우기 위해.
• 기존 인프라에 광범위한 校정 또는 추가 하드웨어 없이도 빠르고 저비용으로 QKD를 설치할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 1550 nm에서 편광 인코딩을 사용한 간소화된 3상태, 1디코이 BB84 프로토콜을 구현한다.
• iPOGNAC 편광 인코더는 사간크 간섭계 기반으로 캘리브레이션 없이 안정적인 |L⟩, |R⟩, 및 |D⟩ 상태를 생성한다.
• 시간 동기화는 Qubit4Sync를 통해 수행되며, 외부 신호 없이 큐비트 교환을 통해 시계 주기와 절대 시간을 결정한다.
• 강도 조절은 고정된 µ/ν 비율 약 4.5를 갖는 사간크 기반 강도 조절기로 수행된다.
• 고전적 및 양자 채널은 이중 파장 WDM(dWDM)를 사용해 동일한 섬유에서 공존하도록 다중화된다.
• 수신기는 시간 필터링을 적용한 자유 주행 InGaAs/InP SPAD를 사용하여 동기화 펄스 없이도 작동 가능하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자가정합 iPOGNAC 편광 인코더는 실제 도시 섬유 환경에서 낮은 QBER를 유지할 수 있는가?
• RQ2 추가 하드웨어나 시계 신호 분배 없이 Qubit4Sync가 신뢰할 만한 동기화를 달성할 수 있는가?
• RQ3 실제 환경 조건에서 3.4km 도시 섬유 링크에서 기대할 수 있는 기밀 키율과 QBER는 얼마인가?
• RQ4 기존 통신 인프라에 구현되었을 때 시스템의 안정성과 자원 효율성은 어떻게 평가되는가?
• RQ5 이 저복잡도 QKD 설정은 광범위한 校정 없이도 신속하게 설치 및 운영될 수 있는가?

주요 결과

• 현장 시험에서 3.4km 섬유 링크에서 QBER 2.1%로 1.2 kbps의 기밀 키율을 달성하였다.
• 시험 기간 동안 iPOGNAC 인코더는 校정이 필요 없이 안정적인 편광 상태를 유지하였다.
• Qubit4Sync는 시계 신호를 분배하지 않아도 강력한 동기화를 가능하게 하여 시스템 성능을 유지하였다.
• 다수의 일수 동안 최소한의 유지보수로 안정적으로 작동하여 실제 도시 환경에서의 내구성을 입증하였다.
• dWDM 및 자유 주행 SPAD의 사용으로 기존 통신 인프라와 원활한 통합이 가능하였다.
• 결과적으로 자원 효율적인 QKD 시스템이 실제 네트워크에 신속하고 효율적으로 구현될 수 있음을 확인하였다.