[논문 리뷰] Space-borne quantum memories for global quantum communication

Mustafa Gündoğan, Jasminder S. Sidhu외 5명|Strathprints: The University of Strathclyde institutional repository (University of Strathclyde)|2020. 06. 18.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 1인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 광섬유 손실의 제한을 극복하기 위해 양자 메모리 장착 위성을 활용하여 글로벌 스케일의 양자 통신을 가능하게 한다. 지상 기반 시스템과는 달리 위성에 양자 메모리를 배치함으로써, 저자들은 얽힘 분포 속도를 세 자리 수만큼 향상시켰으며, 이는 공간 기반 양자 중계기를 사용한 해저국 간 거리에서 실용적이고 조건 없이 안전한 양자 키 분배를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Global scale quantum communication links will form the backbone of the quantum internet. However, exponential loss in optical fibres precludes any realistic application beyond few hundred kilometres. Quantum repeaters and space-based systems offer to overcome this limitation. Here, we analyse the use of quantum memory (QM)-equipped satellites for quantum communication focussing on global range repeaters and Measurement-Device-Independent (MDI) QKD. We demonstrate that satellites equipped with QMs provide three orders of magnitude faster entanglement distribution rates than existing protocols based on fibre-based repeaters or space systems without QMs. We analyse how entanglement distribution performance depends on memory characteristics, determine benchmarks to assess performance of different tasks, and propose various architectures for light-matter interfaces. Our work provides a practical roadmap to realise unconditionally secure quantum communications over global distances with current technologies.

연구 동기 및 목표

• 지상 양자 통신의 범위를 몇 백 km로 제한하는 광섬유의 지수적 손실을 극복하기 위해.
• 장거리 양자 키 분배(QKD)에서 신뢰할 수 있는 노드와 전통적 양자 중계기의 한계를 해결하기 위해.
• 공간 기반 양자 메모리가 글로벌 스케일의 양자 네트워크를 위한 신뢰할 수 없는 양자 중계기로서의 가능성과 성능을 탐색하기 위해.
• 저궤도 위성에 양자 메모리를 탑재한 상태에서 측정 장치에 의존하지 않는(MDI) QKD 및 얽힘 분포를 실현하기 위한 실용적인 로드맵을 수립하기 위해.
• 성능 기준을 설정하고, 메모리 특성의 영향을 글로벌 양자 통신 속도에 대해 평가하기 위해.

제안 방법

• 회절, 대기 흡수 및 조준 오차를 고려한 위성-지상 및 위성-위성 광채널을 모델링한다.
• 비밀 키 속도 하한을 갖는 BB84 프로토콜을 사용한다: $ R = \frac{Y}{2}\left[1 - h(e_X) - f h(e_Z)\right] $, 여기서 $ Y $ 는 성공적인 측정 확률이고 $ e_X, e_Z $ 는 QBER이다.
• 채널 손실을 다음과 같이 포함한다: $ \eta_{\text{atm}}(\theta) = \left(\eta^{\pi/2}_{\text{atm}}\right)^{\csc\theta} $, $ \eta^{\pi/2}_{\text{atm}} \approx 80\% $ 는 780 nm에서 천정 투과율이다.
• 가우시안 빔 오차를 사용해 조준 손실을 모델링한다: $ \eta_{\text{point}} = \exp\left[-8\sigma^2_{\text{point}}/\omega_0^2\right] $, 1 μrad의 오차로 약 10%의 손실이 발생한다.
• 검출기 어둠자기 신호($ p_d = 10^{-6} $ per 1 μs 창)와 잔류 빛을 스펙트럼 및 시간 필터링을 통해 고려한다.
• 시간 다중모드 저장의 필요성을 평가한다: $ N_{\text{mod}} = R_s \eta_s \eta_{\text{tr},\max} \frac{L_0}{c} $, 키 계산에 대해 $ N_{\text{mod}} = 365 $ 이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지상 기반 시스템이 아닌 위성에 양자 메모리를 탑재할 경우 글로벌 양자 네트워크에서 얽힘 분포 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 대기 손실, 조준 오차 및 검출기 노이즈가 위성 기반 양자 통신 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 양자 메모리 특성(예: 저장 시간, 효율성)이 공간 기반 QKD에서 확보 가능한 비밀 키 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 공간 기반 양자 메모리는 해저국 간 거리에서 실용적이고 조건 없이 안전한 MDI-QKD를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ5 다양한 위성 기반 양자 메모리 아키텍처의 비밀 키 속도 및 손실 예산 측면에서의 성능 기준은 무엇인가?

주요 결과

• 양자 메모리를 탑재한 위성들은 지상 기반 양자 메모리를 사용하는 프로토콜보다 얽힘 분포 속도가 세 자리 수 빠르게 된다.
• 대기 흡수로 인한 손실이 장거리 및 낮은 고도 각도에서 주요 원인이 되며, 780 nm에서 천정 투과율은 약 80%이다.
• 1 μrad의 조준 오차는 광학 투과율을 약 10% 감소시켜 정밀한 빔 안정화의 필요성을 강조한다.
• 분석에서 사용된 시스템 파rameter 기준으로 요구되는 시간 다중모드 저장 용량은 365개 모드이며, 이는 소스 밝기와 채널 효율성에 따라 달라진다.
• 검출기 어둠자기 신호율은 $ p_d = 10^{-6} $ per 1 μs 창으로 모델링되며, 이는 몇 Hz에 해당하며 SNSPD를 통해 감소시킬 수 있다.
• 잔류 빛 기여는 천체 조건에 따라 크게 달라지며, 달과 인공적 하늘 빛이 주요 원인으로 나타나 스펙트럼 및 시간 필터링으로 완화할 수 있다.