[논문 리뷰] Surpassing the rate-transmittance linear bound of quantum key distribution

Xiaotian Fang, Pei Zeng외 18명|arXiv (Cornell University)|2019. 08. 04.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 20인용 수 31

한 줄 요약

이 논문은 레이저 주입과 위상 후보정을 이용한 위상일치 양자 키 분배(PM-QKD)를 통해 실용적인 광섬유 채널에서 선형 속도-투과도 경계 O(η)를 초월하는 실험적 성과를 보여준다. 이 방법은 초저손실 섬유 502 km에서 0.118 bps의 키 속도를 달성하여 이전 연구 대비 네 개 이상의 지수 차수만큼 향상된 성능을 보였다.

ABSTRACT

Quantum key distribution (QKD offers a long-term solution to establish information-theoretically secure keys between two distant users. In practice, with a careful characterization of quantum sources and the decoy-state method, measure-device-independent quantum key distribution (MDI-QKD) provides secure key distribution. While short-distance fibre-based QKD has already been available for real-life implementation, the bottleneck of practical QKD lies on the limited transmission distance. Due to photon losses in transmission, it was believed that the key generation rate is bounded by a linear function of the channel transmittance, $O(η)$, without a quantum repeater, which puts an upper bound on the maximal secure transmission distance. Interestingly, a new phase-encoding MDI-QKD scheme, named twin-field QKD, has been suggested to beat the linear bound, while another variant, named phase-matching quantum key distribution (PM-QKD), has been proven to have a quadratic key-rate improvement, $O(\sqrtη)$. In reality, however, the intrinsic optical mode mismatch of independent lasers, accompanied by phase fluctuation and drift, impedes the successful experimental implementation of the new schemes. Here, we solve this problem with the assistance of the laser injection technique and the phase post-compensation method. In the experiment, the key rate surpasses the linear key-rate bound via 302 km and 402 km commercial-fibre channels, achieving a key rate over 4 orders of magnitude higher than the existing results in literature. Furthermore, with a 502 km ultralow-loss fibre, our system yields a secret key rate of 0.118 bps. We expect this new type of QKD schemes to become a new standard for future QKD.

연구 동기 및 목표

• 실용적인 양자 키 분배(QKD) 시스템에서 근본적인 선형 속도-투과도 경계 O(η)를 극복하기 위해.
• 독립 레이저 기반 PM-QKD 시스템에서의 위상 불안정성과 모드 불일치 문제를 해결하기 위해.
• 위상일치 기술을 활용하여 기존 MDI-QKD의 한계를 뛰어넘는 장거리 고속 비밀 키 생성을 달성하기 위해.
• 미래의 양자 통신 네트워크를 위한 확장 가능하고 안전하며 고성능 표준으로서 PM-QKD의 실현 가능성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 앨리스와 보브가 사용하는 독립 레이저의 위상을 동기화하기 위해 레이저 주입 잠금 기술을 적용하여 위상 드리프트와 모드 불일치를 최소화하였다.
• 전송 후 잔류 위상 변동을 보정하기 위해 위상 후보정 방법을 구현하여 샤를리 스테이션에서의 안정된 간섭을 확보하였다.
• 코herent 상태에 키 정보를 인코딩하기 위해 D=16개의 이산 위상 밴드를 사용한 위상 슬라이스 인코딩 방식을 활용하였다.
• 광자 수 분할 공격에 대응하기 위해 단일 광자 기여도를 추정하기 위해 데코이 상태 방법을 적용하였다.
• 상용 섬유 302 km 및 402 km, 초저손실 섬유 502 km에서 실험을 수행하여 제어된 위상 및 강도 설정 하에서 탐지율과 키 생성량을 측정하였다.
• 샤를리가 앨리스와 보브의 펄스를 동시에 측정하여 위상 차이를 탐지하는 대칭적 MDI-QKD 아키텍처를 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실용적인 광섬유 채널에서 위상일치 기술을 활용해 QKD의 O(η) 속도-투과도 경계를 실험적으로 초월할 수 있는가?
• RQ2 독립 레이저 소스에서의 위상 불안정성과 모드 불일치 문제는 어떻게 완화할 수 있는가? 이를 통해 장거리 PM-QKD를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 실제 위상 보정을 적용한 위상일치 QKD를 통해 500 km 섬유에서 도달 가능한 비밀 키 속도는 얼마인가?
• RQ4 제안된 방법은 실제 광섬유 환경에서 기존 MDI-QKD의 한계를 뛰어넘는 고속 키 생성을 유지할 수 있는가?
• RQ5 레이저 주입을 적용한 위상일치 QKD에서 전송 거리, 키 속도, 시스템 안정성 간의 성능 트레이드오프는 어떠한가?

주요 결과

• 초저손실 섬유 502 km에서 비밀 키 속도 0.118 bps를 달성하여 이전 결과 대비 네 개 이상의 지수 차수만큼 향상된 성능을 입증하였다.
• 상용 섬유 302 km 및 402 km에서 키 속도가 O(η) 선형 경계를 초월하여 이론적으로 예측된 제곱근 개선 효과가 확인되었다.
• 레이저 주입과 위상 후보정을 통해 장거리에서 안정된 간섭을 실현하여 이전에 실험적 PM-QKD를 방해하던 위상 드리프트와 모드 불일치 문제를 해결하였다.
• 실험 데이터는 16개 위상 슬라이스 전역에서 일관된 탐지율을 보였으며 간섭 무늬의 높은 가시도를 확인하여 위상 슬라이스 인코딩 및 측정 방식의 타당성을 입증하였다.
• 투과율이 10^-6 이하일 경우에도 안정적인 비밀 키 생성을 유지하여 현실적인 손실 조건 하에서 장거리 QKD의 실현 가능성을 확인하였다.
• 결과적으로 PM-QKD는 실질적으로 O(√η) 키 속도 스케일링을 달성할 수 있으며, 기존 MDI-QKD의 O(η) 스케일링 대비 뚜렷한 성능 향상을 보였다.