[논문 리뷰] Underwater Quantum Key Distribution in Outdoor Conditions with Twisted Photons

Frédéric Bouchard, Alicia Sit외 9명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 31.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 29인용 수 8

한 줄 요약

이 연구는 외부 수영장 환경에서 난류 상태의 흐르는 물 속에서 꼬인 광자(오비탈 각운동량 상태)를 사용하여 수중 양자 키 분배(QKD)를 구현한 것으로, 2차원 및 3차원 BB84 프로토콜을 통해 3m의 난류 상태 수중 링크에서 양의 비밀 키 속도를 달성하였다. 난류에 의한 빔 왜곡, 특히 산란성 왜곡이 주로 발생하여 양자 비트 오류율(QBER)이 증가하며, 이는 4차원 프로토콜의 비밀 키 속도를 제한한다. 그러나 적응 광학 기술을 통해 왜곡을 보정할 수 있어 고차원 보안 링크를 실현할 수 있다.

ABSTRACT

Quantum communication has been successfully implemented in optical fibres and through free-space [1-3]. Fibre systems, though capable of fast key rates and low quantum bit error rates (QBERs), are impractical in communicating with destinations without an established fibre link [4]. Free-space quantum channels can overcome such limitations and reach long distances with the advent of satellite-to-ground links [5-8]. Shorter line-of-sight free-space links have also been realized for intra-city conditions [2, 9]. However, turbulence, resulting from local fluctuations in refractive index, becomes a major challenge by adding errors and losses [10]. Recently, an interest in investigating the possibility of underwater quantum channels has arisen, which could provide global secure communication channels among submersibles and boats [11-13]. Here, we investigate the effect of turbulence on an underwater quantum channel using twisted photons in outdoor conditions. We study the effect of turbulence on transmitted QBERs, and compare different QKD protocols in an underwater quantum channel showing the feasibility of high-dimensional encoding schemes. Our work may open the way for secure high-dimensional quantum communication between submersibles, and provides important input for potential submersibles-to-satellite quantum communication.

연구 동기 및 목표

• 외부 수중 난류 환경에서 궤도 각운동량(OAM) 상태를 사용한 고차원 양자 키 분배(QKD)의 실현 가능성을 조사한다.
• 외부 수중 난류가 OAM 모드 전파 및 양자 비트 오류율(QBER)에 미치는 영향을 특성화한다.
• 실제 수중 조건에서 다양한 QKD 프로토콜(2D, 3D, 4D BB84)의 성능을 비교한다.
• 자연수 환경에서 OAM 인코딩 광자를 사용한 잠수정에서 위성으로의 향후 양자 통신 가능성을 평가한다.
• 수중 QKD 시스템에서 난류에 의한 왜곡을 보정하기 위한 적응 광학의 실현 가능성을 평가한다.

제안 방법

• 3m의 외부 수영장을 통과시켜 635 nm의 가우시안 빔을 투과시켜 단기 노출 CCD 영상으로 난류를 특성화하였다.
• 비틀림 상황에서의 위상 프로파일 복원을 위해 게르크버그-삭스턴 알고리즘(GSA)을 적용하여 위상 복원을 수행하였다.
• 재구성된 위상은 제르니크 다항식으로 분해되어 산란성 왜곡 및 초점 불일치 등의 왜곡을 정량화하였다.
• 710 nm에서 단일 광자 소스를 사용하였으며, ppKTP 결정에서 자발적 비선형 분할을 통해 생성되었고, 보조 광자는 943 nm에서 허르드링을 위해 사용되었다.
• 앨리스 측에서 공간 광학 소자(SLM)를 사용하여 OAM 상태(ℓ = 0, ±1, ±2)를 준비하고, 보브 측에서 모드 분류 장치를 통해 측정하였다.
• 5 ns 창을 가진 공진도 검출을 통해 얽힌 광자 쌍의 확인이 가능했으며, 각 OAM 차원에 대해 QBER가 계산되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수중 난류는 외부 수중 채널에서 OAM 인코딩 광자의 전파에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 난류 상태 수중 링크에서 꼬인 광자를 사용한 2D, 3D, 4D BB84 프로토콜을 통해 얻을 수 있는 최대 비밀 키 속도는 얼마인가?
• RQ3 산란성 왜곡과 같은 난류에 의한 왜곡이 OAM 상태의 정밀도를 얼마나 떨어뜨리고 QBER를 증가시키는가?
• RQ4 적응 광학 시스템은 난류 영향을 완화하여 수중 환경에서의 고차원 보안 QKD를 실현할 수 있는가?
• RQ5 실제 외부 조건에서 다양한 OAM 기반 QKD 프로토콜의 QBER는 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 2차원 BB84 프로토콜은 광자당 0.185비트의 비밀 키 속도를 달성하여 3차원 경우를 초월하였다.
• 3차원 BB84 프로토콜은 광자당 0.175비트의 비밀 키 속도를 기록하여 2차원 경우보다 약간 낮았다.
• 4차원 BB84 프로토콜은 QBER가 20.1%에 도달하여 18.93%의 오류 임계값을 초과하여 키 분배에 대해 비보안 상태였다.
• 난류에 의한 빔 왜곡, 특히 산란성 왜곡이 주요 왜곡 요인으로 나타나 높은 OAM 상태 간의 교차 간섭을 유발하였다.
• 난류 주파수는 수십 Hz 수준이었으며, 이는 SLM를 사용한 실시간 보정이 가능함을 시사하였다.
• 이 연구는 현재의 난류 수준에서 OAM 기반 QKD가 외부 수중 환경에서 실현 가능하다는 것을 확인하였지만, 3차원 인코딩까지로 국한된다.