[论文解读] Continuous entanglement distribution over a transnational 248 km fibre link

Sebastian Philipp Neumann, Alexander Büchner+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用 5

一句话总结

该论文展示了在奥地利与斯洛伐克之间的248公里跨国光纤链路上，实现了连续、稳定的偏振纠缠光子对分发，每秒产生9对纠缠光子，可见度达86%，持续82小时。通过结合非局域色差补偿与主动偏振稳定技术，系统实现了不间断的量子密钥分发，安全密钥速率为每秒1.4比特，标志着迈向实用化长距离量子互联网的重要一步。

ABSTRACT

Entanglement is the basis of many quantum applications. The technically most mature of them, quantum key distribution, harnesses quantum correlations of entangled photons to produce cryptographic keys of provably unbreakable security. A key challenge in this context is the establishment of continuously working, reliable long-distance distributions of entanglement. However, connections via satellites don't allow for interruption-free operation, and deployed fibre implementations have so far been limited to less than 100 km by losses, a few hours of duty time, or use trusted nodes. Here, we present a continuously working international link between Austria and Slovakia, directly distributing polarization-entangled photon pairs via 248 km of deployed telecommunication fibre. Despite 79 dB loss, we measure stable pair rates of 9 s$^{-1}$ over an exemplary operation time of 110 hours. We mitigate multi-pair detections with strict temporal filtering, enabled by nonlocal compensation of chromatic dispersion. Fully automatized active polarization stabilization keeps the entangled state's visibility at 86 % for altogether 82 hours, producing 403 kbit of quantum-secure key at a rate of 1.4 bits/s. Our work paves the way for low-maintenance, ultra-stable quantum communication over long distances, independent of cloud coverage and time of day, thus constituting an important step towards the quantum internet.

研究动机与目标

• 在城市光纤基础设施上实现纠缠光子的连续、可靠长距离分发。
• 克服以往系统存在的局限，如运行时间短、工作周期低或依赖可信节点。
• 在不因天气或卫星可用性而中断的情况下，实现248公里已部署电信光纤上的稳定量子通信。
• 展示一种完全自动化、低维护的系统，适用于集成到现有通信网络中。
• 为基于光纤基础设施的可扩展、跨国量子互联网铺平道路。

提出的方法

• 利用奥地利与斯洛伐克之间的248公里已部署电信光纤链路，传输偏振纠缠光子对。
• 采用基于时间分辨探测的非局域色差补偿，以减轻脉冲展宽并实现精确的时间滤波。
• 实施严格的时域滤波，以抑制多对事件并提高信噪比。
• 采用完全自动化的主动偏振稳定技术，在环境条件变化下维持纠缠态的可见度。
• 使用连续波泵浦源和自发参量下转换生成纠缠光子对。
• 实时监控和控制以确保系统在110小时连续测量中的稳定运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在248公里跨国光纤链路上连续分发偏振纠缠光子对，实现高可见度和稳定密钥速率？
• RQ2 在长距离光纤纠缠分发中，如何有效抑制多对检测事件？
• RQ3 在真实光纤环境中，主动偏振稳定技术在长时间内能将纠缠保真度维持到何种程度？
• RQ4 完全自动化系统是否能在部署的城市光纤网络中实现数百小时的可靠、不间断运行？
• RQ5 在如此长距离的真实光纤链路上，量子密钥分发的可实现安全密钥速率是多少？

主要发现

• 系统在248公里光纤链路上连续运行110小时，损耗达79 dB，实现了稳定的9对/秒纠缠光子对率。
• 通过主动偏振稳定，纠缠态可见度在82小时内保持在86%，表明高保真度的量子态保持。
• 以每秒1.4比特的速率生成了安全量子密钥，测量期间总计生成403 kbit。
• 非局域色差补偿实现了有效的时域滤波，减少了多对检测事件并提升了信号质量。
• 系统连续无中断运行，证明了对环境波动和光纤不稳定性的鲁棒性。
• 结果证实了在现有电信光纤基础设施上实现低维护、长距离量子通信的可行性，且不受天气或一天中时间的影响。