[논문 리뷰] Experimental Demonstration of Underwater Decoy-state Quantum Key Distribution with All-optical Transmission

Yonghe Yu, Wendong Li외 9명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 25.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 23인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 FPGA 제어를 통해 편광 인코딩 BB84 프로토콜을 사용하는 완전히 온광학적 해양 내 양자 키 분배(UWQKD) 시스템을 제시한다. 이는 10.4미터 길이의 제르로프 유형 III 해수 채널에서 안전한 키 교환을 가능하게 한다. 시스템은 13.26 dB 손실 조건에서 1.82 kbps의 안전 키율과 1.55%의 오차율을 달성하였으며, 시뮬레이션 결과 최대 23.7 dB 손실에 대한 내성을 보였고, 이는 청정 해수(제르로프 유형 I)에서 300미터까지의 운영 가능성을 시사한다.

ABSTRACT

We demonstrate the underwater quantum key distribution (UWQKD) over a 10.4-meter Jerlov type III seawater channel by building a complete UWQKD system with all-optical transmission of quantum signals, synchronization signal and classical communication signal. The wavelength division multiplexing and the space-time-wavelength filtering technology are applied to ensure that the optical signals do not interfere with each other. The system is controlled by FPGA, and can be easily integrated into watertight cabins to perform field experiment. By using the decoy-state BB84 protocol with polarization encoding, we obtain a secure key rate of 1.82Kbps and an error rate of 1.55% at the attenuation of 13.26dB. We prove that the system can tolerate the channel loss up to 23.7dB, therefore may be used in the 300-meter-long Jerlov type I clean seawater channel.

연구 동기 및 목표

• 해양 환경에서 전기 케이블이나 라디오 파장을 완전히 제거하는 완전히 온광학적 UWQKD 시스템을 개발하는 것.
• 편광 인코딩을 사용한 디코이 스테이트 BB84 프로토콜을 활용한 실용적 해양 내 양자 키 분배를 실험하는 것.
• 밀폐된 해양 캐빈에 통합 가능한 현장 적용이 가능한 소형 시스템에서 실시간으로 안전한 키 생성을 달성하는 것.
• 신호 간섭과 고손실을 포함한 실제 해양 채널 조건에서의 시스템 성능을 검증하는 것.
• 청정 해수(제르로프 유형 I)에서 최대 300미터까지의 장거리 UWQKD 가능성을 시뮬레이션을 통해 입증하는 것.

제안 방법

• 시스템은 3강도 디코이 스테이트 편광 인코딩을 위해 8개의 450 nm 레이저를 사용하며, 20 MHz 반복 주기와 9.5 ns 펄스 폭으로 FPGA 제어를 통해 변조한다.
• 파장 분할 Multiplexing(WDM)을 통해 이icho 미러를 이용해 양자(450 nm), 동기화(520 nm), 고전적(488 nm) 신호를 단일 광경로에 통합한다.
• 250 ps 해상도의 프로그래머블 딜레이 칩을 사용해 5 MHz, 30 ns의 광 펄스를 지연시켜 양자 신호와 정렬함으로써 동기화를 달성한다.
• 공간-시간-파장 필터링을 통해 양자, 고전적, 동기화 신호 간의 격리가 이루어져 해양 채널 내 교차 간섭을 최소화한다.
• FPGA 기반 제어는 키 걸러내기, 타이밍, 신호 처리를 담당하며, 앨리스와 박브 간의 모든 통신이 광학적 방식으로 이루어져 전기 또는 라디오 링크를 피한다.
• 오류 수정 및 프라이버시 암호화는 실시간으로 LDPC 코딩을 통해 수행되며, 보조 정보는 추가 상호작용 없이 고전 채널을 통해 전송된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완전히 온광학적 UWQKD 시스템이 디코이 스테이트 BB84 프로토콜을 사용할 때 전기 또는 라디오 파장을 사용하지 않고도 해양 환경에서 신뢰성 있게 작동할 수 있는가?
• RQ2 이러한 시스템이 청정 해수에서 실용적 배포를 위해 견딜 수 있는 최대 채널 손실 수준은 얼마인가?
• RQ3 실제 해양 흡수 및 산산이 흩어짐 조건에서 시스템은 낮은 오차율과 높은 안전 키율을 유지할 수 있는가?
• RQ4 FPGA 기반 제어는 최소한의 후처리 상호작용으로 실시간, 현장에서의 키 생성을 가능하게 하는가?
• RQ5 특히 제르로프 유형 I 해수에서 시스템의 성능 한계는 거리와 손실 측면에서 어떻게 되는가?

주요 결과

• 10.4미터 길이의 제르로프 유형 III 해수 채널에서 13.26 dB 손실 조건에서 시스템은 안전 키율 1,823.4 bps(1.82 kbps)와 오차율 1.55%를 달성하였다.
• 양자 상태 토모그라피를 통해 편광 상태의 높은 정밀도가 확인되었으며, 모든 네 가지 상태(H, V, P, M)가 0.99 이상의 허상도를 유지하였다.
• 시스템은 최대 23.7 dB 손실에 대한 내성을 보였으며, 이는 제르로프 유형 I 해수에서 300미터 길이의 채널에 대한 실현 가능성을 시사한다.
• 제르로프 유형 I 해수에서 300미터 시뮬레이션 조건에서 LDPC 오류 수정을 사용할 경우 안전 키율은 27.4 bps였고, 이상적인 오류 수정 조건에서는 최대 219.2 bps까지 가능했다.
• 시스템은 단일 광자 분포를 중단하지 않고 실시간 키 생성을 성공적으로 수행하였으며, 개인정보 암호화는 걸러낸 키 170만 비트 이후에만 실행되었다.
• 공간-시간-파장 필터링의 사용이 동일한 채널 내에서 양자, 고전적, 동기화 신호 간의 교차 간섭을 효과적으로 억제하였다.