[논문 리뷰] Silicon-based decoder for polarization-encoding quantum key distribution

Yongqiang Du, Xun Zhu외 6명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 08.

Quantum Information and Cryptography인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 편광 인코딩 양자 키 분배(QKD)를 위한 완전 통합 실리콘 포토닉 디코더를 제시하며, 칩 내 편광 상태 분석과 섬유 유도 편광 드프트 자동 보정을 가능하게 한다. 칩은 편광 분리기-회전기 기반의 편광-경로 변환 방법을 사용하여 10시간 동안 연속 작동 중 외부 피드백 없이 0.56%의 양자 비트 오류율(QBER)로 100km 섬유 QKD 비밀 키율 240 bps를 달성한다.

ABSTRACT

Silicon-based polarization-encoding quantum key distribution (QKD) has been widely studied, owing to its low cost and robustness. However, prior studies have utilized off-chip devices to demodulate the quantum states or perform polarization compensation, given the difficulty of fabricating polarized independent components on the chip. In this paper, we propose a fully chip-based decoder for polarization-encoding QKD. The chip realizes a polarization state analyzer and compensates for the BB84 protocol without requiring additional hardware. It is based on a polarization-to-path conversion method that uses a polarization splitter-rotator. The chip was fabricated using a standard silicon photonics foundry; it has a compact design and is suitable for mass production. In the experimental stability test, an average quantum bit error rate of $0.56\%$ was achieved through continuous operation for 10 h without any polarization feedback. Furthermore, using the developed feedback algorithm, the chip enabled the automatic compensation of the fiber polarization drift, which was emulated by a random fiber polarization scrambler. In the case of the QKD demonstration, we obtained a finite-key secret rate of 240 bps over a fiber spool of 100 km. This study represents an important step toward the integrated, practical, and large-scale deployment of QKD systems.

연구 동기 및 목표

• 편광 인코딩 QKD 시스템에서 외부 칩 구성 요소가 필요 없도록 완전히 칩 내부 통합된 디코더를 개발함으로써 이를 제거하는 것.
• 칩 내 편광 상태 분석과 섬유 유도 편광 드프트 자동 보정을 가능하게 하는 것.
• 표준 CMOS 제조 공정과 호환되는 소형이고 대량 생산이 가능한 실리콘 포토닉 솔루션을 제공하는 것.
• 외부 편광 피드백 없이 장거리 섬유 링크에서 안정적이고 낮은 오류율의 QKD 성능을 달성하는 것.

제안 방법

• 디코더는 편광 분리기-회전기(PSR) 기반의 편광-경로 변환 방법을 사용하여 편광 상태를 고유한 출력 경로로 매핑한다.
• 칩은 표준 실리콘 포토닉 플랫폼에 편광 분리기-회전기, 열 기반 위상 시프터, 다중모드 간섭계(MMI), 가변 옵티컬 약화기(VOA)를 통합한다.
• 피드백 알고리즘은 X 및 Z 기저에서의 오류율을 최소화함으로써 열 기반 위상 시프터(PS1–PS4)의 전압을 동적으로 조절하여 편광 드프트를 보정한다.
• 피드백 알고리즘은 오류율의 전압 변화에 대한 편미분을 유한 차분 근사로 추정하여 기울기 기반 보정을 가능하게 한다.
• 시스템은 X 및 Z 기저에서의 오류율을 지속적으로 모니터링하고, 반복적이고 순환적인 방식으로 교정 전압 업데이트를 적용하여 낮은 QBER를 유지한다.
• 칩은 표준 실리콘 포토닉 팹리케이션 공정을 사용하여 제조되었으며, 3.95 × 2.19 × 0.90 cm³의 소형 패kg 형태로 패ack지드되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 칩 내부 통합된 디코더가 편광 인코딩 QKD 시스템에서 외부 칩 구성 요소를 사용한 편광 디모듈레이션 및 보정을 대체할 수 있는가?
• RQ2 외부 피드백 없이 장시간 운영 중 실리콘 포토닉 디코더가 낮은 양자 비트 오류율(QBER)을 유지하는 데 성능은 어떠한가?
• RQ3 칩 내 피드백 알고리즘이 실시간으로 무작위 섬유 편광 드프트를 효과적으로 보정할 수 있는가?
• RQ4 장거리 섬유 링크에서 완전히 통합된 실리콘 기반 QKD 시스템이 달성할 수 있는 비밀 키율은 얼마인가?

주요 결과

• 외부 편광 피드백 없이 10시간 동안 연속 작동 중 평균 양자 비트 오류율(QBER)은 0.56%를 기록했다.
• 개발된 피드백 알고리즘이 무작위 섬유 편광 스캐머를 통해 유도된 편광 드프트를 성공적으로 보정하여 안정적인 QKD 성능을 유지했다.
• 100km 섬유 스풀에서 시스템은 유한 키 비밀 키율 240 bps와 QBER 2.61×10⁻²를 입증했다.
• 칩의 소형 크기(1.6 × 1.7 mm²)와 표준 실리콘 포토닉 제조 공정과의 호환성 덕분에 대량 생산이 가능하며 실용적 QKD 시스템에 통합될 수 있다.
• 25km에서는 비밀 키율 4.94×10⁴ bps를 기록했고, 100km에서는 2.40×10² bps로 감소하여 장거리에서의 확장성을 입증했다.
• 모든 시험된 섬유 길이에서 높은 안정성과 낮은 오류율을 달성했으며, QBER는 25km에서 0.53%에서 100km에서 2.61%로 증가했지만, 안정적인 비밀 키 생성을 위한 허용 가능한 한계 내에 유지되었다.