[논문 리뷰] The ideal wavelength for daylight free-space quantum key distribution

Mostafa Abasifard, Chanaprom Cholsuk외 6명|arXiv (Cornell University)|2023. 03. 03.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 60인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 일광 조건에서 위성 기반 자유공간 양자 키 분배를 위한 최적 파장을 656 nm (Hα 프라운호퍼 선)로 규명하며, 이는 C밴드 원천보다 연간 비밀 키 길이가 10배 이상 높다는 것을 입증한다. 이 방법은 헥사고날 호르늄 nitride(hBN)의 색심을 포함한 조절 가능한 단일 광자 원천을 마이크로공진기와 결합하고, 스펙트럼 피드백을 통해 프라운호퍼 선에 고정함으로써 일광 시간대에 높은 시야도와 낮은 배경 노이즈를 갖는 양자 통신을 가능하게 한다.

ABSTRACT

Quantum key distribution (QKD) has matured in recent years from laboratory proof-of-principle demonstrations to commercially available systems. One of the major bottlenecks is the limited communication distance in fiber networks due to the exponential signal damping. To bridge intercontinental distances, low Earth orbit satellites transmitting the quantum signals over the atmosphere can be used. These free-space links, however, can only operate during the night, as the sunlight otherwise saturates the detectors used to measure the quantum states. For applying QKD in a global quantum internet with continuous availability and high data rates, operation during daylight is required. In this work, we model a satellite-to-ground quantum channel for different quantum light sources to identify the optimal wavelength for free-space QKD in ambient conditions. Daylight quantum communication is possible within the Fraunhofer lines or in the near-infrared spectrum, where the intrinsic background from the sun is comparably low. The highest annual secret key length considering the finite key effect is achievable at the H extalpha\ Fraunhofer line. More importantly, we provide the full model that can be adapted in general to any other specific link scenario. We also propose a true single-photon source based on a color center in hexagonal boron nitride coupled to a microresonator that can implement such a scheme. Our results can also be applied in roof-to-roof scenarios and are therefore relevant for near-future quantum networks.

연구 동기 및 목표

• 일광 조건에서 태양 복사 노이즈로 인해 성능이 제한되는 자유공간 QKD의 최적 파장을 규명하기 위해.
• 유한한 키 효과와 현실적인 구성 요소 제약 조건이 다양한 파장에서 비밀 키 속도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 프라운호퍼 선에서 작동할 수 있는 실용적인 단일 광자 원천을 설계하기 위해.
• 현재 야간 전용 위성 QKD의 한계를 극복하고 연속적이고 고속의 양자 키 분배를 가능하게 하기 위해.
• 위성-지상 및 지상-지상(옥상-옥상) 양자 링크 시나리오에 모두 적용 가능한 일반화 가능한 모델을 제공하기 위해.

제안 방법

• 위성-지상 양자 채널을 실제 전송기, 수신기 및 대기 조건 파rameters를 기반으로 모델링하기 위해.
• 유한한 키 효과와 배경 노이즈 조건 하에서 여러 파장(프라운호퍼 선 및 통신 밴드 포함)에 대해 비밀 키 속도를 시뮬레이션하기 위해.
• 좁은 스펙트럼 방출을 달성하기 위해 조절 가능한 마이크로공진기 내에 통합된 헥사고날 호르늄 nitride(hBN)의 색심을 기반으로 한 단일 광자 원천을 설계하기 위해.
• 최대 흡수 검출을 통해 공진기 공진 주파수를 프라운호퍼 선에 맞추기 위해 기준 가스 세포를 사용한 피드백 잠금 메커니즘을 구현하기 위해.
• 다양한 파장 영역에서 상용 SPAD 및 SNSPD를 포함한 구성 요소를 사용해 성능을 평가하기 위해.
• 태양 배경을 억제하면서도 양자 신호 무결성을 유지하기 위해 스펙트럼, 공간 및 시간 필터링 기법을 적용하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 태양 스펙트럼에서 배경 노이즈를 최소화하고 비밀 키 속도를 극대화하는 데 가장 적합한 파장은 무엇인가요?
• RQ2 충분한 안정성과 밝기를 확보한 채 프라운호퍼 선 정확히 발광할 수 있는 실용적인 단일 광자 원천을 설계할 수 있을까요?
• RQ3 유한한 키 효과는 특히 일광 조건에서 다양한 파장에서 비밀 키 속도에 어떤 영향을 미치나요?
• RQ4 모든 시스템 수준 요소(검출기 효율, 빔 산산, 배경 노이즈 등)를 고려할 때 가시광선 영역 QKD가 근적외선 QKD보다 효율성이 높을 수 있나요?
• RQ5 스펙트럼 잠금을 통해 프라운호퍼 선에 고정된 hBN 기반 고체 상태 단일 광자 원천이 위성 기반 양자 통신에 적합하게 만들 수 있을까요?

주요 결과

• 656.448 nm에서의 Hα 프라운호퍼 선은 넓은 흡수 특성과 낮은 태양 배경 노이즈로 인해 연간 비밀 키 길이가 가장 높다.
• hBN 내 P_N V_B 결함을 기반으로 한 현실적인 단일 광자 원천은 기준 가스 세포를 사용한 피드백 루프를 통해 Hα 선에 잠금을 걸 수 있다.
• 낮은 검출기 효율에도 불구하고 제안된 방법은 C밴드 원천(1550 nm)보다 연간 비밀 키 길이가 10배 이상 높다.
• 배경 노이즈, 검출기 효율, 빔 산산, 시스템 비용 등을 모두 고려할 때 가시광선 영역 QKD가 근적외선 QKD보다 비밀 키 속도에서 뛰어난 성능을 보인다.
• 이 모델은 일반화 가능하며 지상-지상 양자 링크 시나리오에 적용 가능하여 연속적이고 고속의 양자 통신을 가능하게 한다.
• 최신 기술 수준의 단일 광자 원천은 이미 일광 조건에서 딜레이드 상태 프로토콜의 성능을 뛰어넘을 수 있다.