[論文レビュー] QKD in Standard Optical Telecommunications Networks

Daniel Lancho Lancho, José-Fernán Martí­nez-Ortega+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 9, 2010

Quantum Information and Cryptography被引用数 15

ひとこと要約

この論文は、市街地光ファイバーネットワークに標準的な部品を用いて量子鍵配送（QKD）を統合することを示しており、GPONベースのアクセスネットワークにおいて、0 kmで1秒あたり500ビット、3.5 kmで20ビットの安全な鍵レートを達成した。研究では、ラーマン散乱と部品間クロストークが主な性能制限要因であると特定し、特に時間スロット割り当てを用いることで、最小限の変更で実際のネットワークにQKDを展開可能であることを示した。

ABSTRACT

To perform Quantum Key Distribution, the mastering of the extremely weak signals carried by the quantum channel is required. Transporting these signals without disturbance is customarily done by isolating the quantum channel from any noise sources using a dedicated physical channel. However, to really profit from this technology, a full integration with conventional network technologies would be highly desirable. Trying to use single photon signals with others that carry an average power many orders of magnitude bigger while sharing as much infrastructure with a conventional network as possible brings obvious problems. The purpose of the present paper is to report our efforts in researching the limits of the integration of QKD in modern optical networks scenarios. We have built a full metropolitan area network testbed comprising a backbone and an access network. The emphasis is put in using as much as possible the same industrial grade technology that is actually used in already installed networks, in order to understand the throughput, limits and cost of deploying QKD in a real network.

研究の動機と目的

• 既存の標準的な光通信ネットワークに専用の量子インfraストラクチャを用いずにQKDを統合する可能性を調査すること。
• メトロポリタンバックボーンおよびアクセスネットワークで高出力古典信号と共用するファイバーにおいて、QKDの性能限界を評価すること。
• 実世界のネットワーク環境下でのQKD鍵生成に及ぼすラーマン散乱、クロストーク、部品ノイズの影響を評価すること。
• GPONのようなパassive光ネットワークでQKDを可能にする実用的展開戦略（時間スロット割り当てや波長再割り当てなど）を特定すること。
• QKDをオフザシェル、産業用の機器を用いて、最小限のハードウェアまたはソフトウェアの変更で展開可能であることを実証すること。

提案手法

• CWDM ROADMリングバックボーン（3ノード、20 nm間隔で18チャネル）と、標準的な1310 nm（アップストリーム）、1490 nm（ダウンストリーム）、1550 nm（量子チャネル）波長を用いたGPONアクセスネットワークを備えた完全なメトロポリタンテストベッドを構築した。
• id Quantique社のQKDシステム（モデル3000および3100）を用い、平均光子数0.79で最適化されたBB84とデコイ状態プロトコルを実装した。
• LDPCに基づく誤り訂正（効率1.05）とプライバシー強化を用いて、最終的な秘密鍵を生成した。
• さまざまなファイバー長におけるQBERおよび鍵レートを測定し、特にGPONのOLTからスプリッタまでのセグメントに注目した。これはQKDにとって最悪の状況を表している。
• 古典信号の出力が量子信号より100 dB高い状態で性能を評価し、ラーマン散乱や内部クロストークなどのノイズ源を分析した。
• 時間スロット割り当てによるQKDのための緩和戦略や、量子チャネルを1300 nm帯に移動させる可能性を検討した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 標準的なメトロポリタン光ネットワークで高出力古典信号と共用するファイバーにおいて、QKDの性能限界は何か？
• RQ2 OLT/ONTのハードウェアや管理システムに変更を加えずに、GPONベースのアクセスネットワークでラーマン散乱と部品間クロストークがQBERおよび鍵レートに与える影響はいかほどか？
• RQ3 オフザシェル部品と最小限の変更のみで、QKDを既存の光インfraにどの程度統合できるか？
• RQ4 専用の量子チャネルなしで共有インfraを用いる実世界のGPONシナリオで、得られる最大鍵レートは何か？
• RQ5 時間スロット割り当てや波長再設定により、古典サービスの品質を損なわずに、パassive光ネットワークにおけるQKD性能を向上させられるか？

主な発見

• GPONアクセスネットワークでは、0 kmで1秒あたり500ビットの安全な鍵レートを達成し、3.5 kmではノイズとクロストークの蓄積により20ビット/秒に低下した。
• 4.5 kmでは測定可能な秘密鍵レートが得られず、現在のQKDデバイスではこの構成で実用的な限界に達していることが示された。
• 0 kmでのQBERは内部クロストーク（主に1310 nm古典チャネル由来）により4%に上昇し、完全に減衰できなかった。
• 変更なしのGPON（最悪ケース）では、ノイズと出力制限のためスプリッタ比率が1:4まで制限されるが、時間スロット割り当てによりこれを改善可能である。
• ラーマン散乱と部品間クロストークが、アクセスネットワークにおける主なノイズ源であると特定され、フィルタリングと減衰により部分的な緩和が可能であった。
• 30 dB以上の損失に耐えられる次世代QKDデバイスの開発により、信頼できる中継器なしでメトロポリタンネットワーク全体をカバー可能となり、スケーラビリティが著しく向上する。