[논문 리뷰] Integration of quantum key distribution and gigabit-capable passive optical network based on wavelength-division multiplexing

Wei Sun, Liujun Wang외 5명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 26.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 2인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 파장분할 multiplexing (WDM) 기반의 양자 키 분배 (QKD)와 기가비트 대역폭의 수동 광선로망 (GPON)의 통합을 제안하며, 분배기의 손실을 피하기 위해 필터를 사용해 양자 신호에 대한 광학 분배기를 회피한다. 이 방법은 양자 신호의 카운팅 속도와 신호 대 잡음비 (SNR) 를 향상시켜 기존 GPON 아키텍처에서 분배기로 인한 손실이 발생하는 경우보다 더 높은 키 생성 속도와 더 긴 전송 거리를 가능하게 한다.

ABSTRACT

Classical optical communications may be still the main communications technology for the foreseeable future, so integration of the quantum communication network with existing classical optical communication network is necessary because existing telecommunications infrastructure will be shared. This means multiplexing of quantum key distribution (QKD) and strong classical data signals, delivering quantum signals and classic signals in one fiber. Optical splitters are employed to access each user in a gigabit-capable passive optical network (GPON). In a 4-user network the splitter adds at least 6 dB of optical loss to the quantum channel, a 64-user network the splitter adds 18 dB of optical loss to the quantum channel. The optical splitters restrict the transmission distance and performance of QKD. We propose a new integration program of QKD and GPON based on wavelength-division multiplexing (WDM). At the optical splitting point, we use filters to separate the quantum signals and bypass the optical splitter, avoiding losses produced by the optical splitters. This increases the counting rate of the quantum signals states and the signal to noise ratio (SNR) improves, so a higher key generation rate and a longer transmission distance can be obtained with QKD.

연구 동기 및 목표

• 기존의 고전적 GPON 인프라와의 양자 키 분배 (QKD) 통합 문제를 해결하기 위해.
• GPON 내 광학 분배기로 인한 손실로 제한되는 QKD 성능과 전송 범위를 줄이기 위해.
• 파장분할 multiplexing (WDM) 을 사용해 단일 광섬유에서 고속 고전적 데이터와 양자 신호의 공존을 가능하게 하기 위해.
• 양자 신호를 분배기에서 회피함으로써 양자 신호의 카운팅 속도와 신호 대 잡음비 (SNR) 를 향상시키기 위해.
• 삽입 손실을 최소화함으로써 GPON 상에서 QKD 를 통한 더 높은 키 생성 속도와 더 긴 전송 거리를 달성하기 위해.

제안 방법

• 단일 광섬유에서 양자 신호와 고전적 데이터 신호를 분리하기 위해 파장분할 multiplexing (WDM) 이 사용된다.
• 분배 지점에 광학 필터를 배치하여 양자 신호가 광학 분배기에서 멀어지도록 유도함으로써 6–18 dB 의 손실을 피한다.
• 양자 신호는 분배기를 회피하는 전용 파장 대역으로 전송되어 신호의 무결성이 유지된다.
• 고전적 데이터 신호는 별도의 파장 대역을 통해 전송되며, 기존 GPON 와 동일하게 분배기를 통과한다.
• 기존 GPON 아키텍처와의 호환성을 유지하면서도 양자 신호를 분배기로 인한 감쇠로부터 분리한다.
• 설계는 수신기에서 더 높은 양자 신호 탐지 속도와 향상된 신호 대 잡음비 (SNR) 를 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자 키 분배 (QKD) 는 성능 저하 없이 기가비트 대역폭의 수동 광선로망 (GPON) 과 효율적으로 통합될 수 있는가?
• RQ2 GPON 내 광학 분배기가 삽입 손실로 인해 QKD 성능을 어느 정도 저하시키는가?
• RQ3 파장분할 multiplexing (WDM) 을 사용해 양자 신호를 광학 분배기에서 회피하여 손실을 줄일 수 있는가?
• RQ4 분배기를 회피함으로써 양자 신호의 카운팅 속도와 신호 대 잡음비 (SNR) 는 어떻게 영향을 받는가?
• RQ5 QKD 를 통한 GPON 상에서 분배기 손실을 피할 경우 키 생성 속도와 전송 거리에서 어떤 향상이 이루어지는가?

주요 결과

• 제안된 WDM 기반의 통합은 양자 신호에 대해 광학 분배기를 완전히 회피함으로써 사용자 수에 따라 6–18 dB 의 삽입 손실을 방지한다.
• 감쇠가 감소함에 따라 양자 신호의 카운팅 속도가 증가하여 QKD 성능이 직접적으로 향상된다.
• 분배기로 인한 노이즈와 손실로 인한 신호 열화가 없기 때문에 신호 대 잡음비 (SNR) 가 향상된다.
• 기존 GPON 기반 QKD 시스템과 비교해 더 높은 키 생성 속도와 더 긴 전송 거리를 달성할 수 있다.
• 기존 GPON 인프라와의 호환성을 유지하면서도 양자 채널 성능을 크게 향상시킨다.
• 기존 광선로망에 큰 인프라 개편 없이도 QKD 를 통합할 수 있는 실현 가능한 길을 보여준다.