[논문 리뷰] Quantum key distribution with dissipative Kerr soliton generated by on-chip microresonators

Fang‐Xiang Wang, Weiqiang Wang외 17명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 29.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 41인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 다이세프티브 킬러 솔리톤(DKS) 마이크로레조나터를 다파장 광원으로 사용하여 최초로 칩 내부에 통합된 양자 키 분배(QKD) 시스템을 구현한다. 이로 인해 GHz 속도의 다량병렬 QKD가 가능해졌다. DKS에서 유도된 간섭성 주파수 커브를 활용하여 저자들은 25km 거리에서 200kbps 이상의 안전한 키율을 달성하였으며, 통합 광학 회로를 이용한 칩스케일 고속 QKD의 실현 가능성을 입증하였다.

ABSTRACT

Quantum key distribution (QKD) can distribute symmetric key bits between remote legitimate users with the guarantee of quantum mechanics principles. For practical applications, the compact and robust photonic components for QKD are essential, and there are increasing attention to integrate the source, detector and modulators on a photonic chip. However, the massive and parallel QKD based on wavelength multiplexing are still challenge, due to the limited coherent light sources on the chip. Here, we introduce the Kerr dissipative soliton in a microresonator, which provides the locked coherent frequency comb with 49GHz frequency spacing, for QKD. We demonstrate the parallel QKD by demulplexing the coherent comb lines form the soliton, and showing the potential of Gbps secret key rate if the hundreds of channels covering C and L bands are fully exploited. The demonstrated soliton based QKD architecture are compatible with the efforts of quantum photonic integrated circuits, which are compact, robust and low-cost, and provides a competitive platform of practical QKD chip.

연구 동기 및 목표

• 칩 내부 광학 통합을 통해 초고속 안전 키율(SKR) QKD를 실현하기 위해.
• 소형 저비용 QKD 시스템에 다수의 주파수 잠금 레이저를 구현하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 칩 내부 다이세프티브 킬러 솔리톤을 다중파장 소스로 활용하여 병렬 QKD의 실현 가능성을 입증하기 위해.
• 표준 외장형 WDM 구성 요소와 칩 내부 통합을 모두 활용하여 DKS 기반 QKD의 성능을 검증하기 위해.
• DKS 소스와 통합 광학 기술을 융합하여 Gbps 수준의 QKD 시스템을 구축할 잠재력을 탐색하기 위해.

제안 방법

• 단일 외부 협대역폭 펌프 레이저를 이용해 마이크로레조나터에서 다이세프티브 킬러 솔리톤(DKS)을 생성하였다.
• DKS는 C 밴드와 L 밴드를 아우르는 약 50–100GHz 간격의 간섭성 주파수 커브를 생성하여 수백 개의 안정적이고 협대역 광신호를 제공한다.
• 주파수 분할 다중화(WDM)를 활용하여 주파수 커브의 선들을 이용해 다수의 독립된 QKD 채널을 동시에 운영하였다.
• 다양한 WDM 모듈(외장형)과 칩 내부 DKS 소스를 사용하여 병렬 QKD 성능을 검증하기 위한 개념 증명 실험을 수행하였다.
• 25km 광섬유 링크에서 단일 광자 탐지 및 편광 인코딩을 사용한 표준 BB84 유형 QKD 프로토콜을 적용하였다.
• 단일 채널 및 다중 채널 구성에서 QBER 및 안전 키율 등의 핵심 파라미터를 모니터링하여 확장성 평가를 수행하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 칩 내부 다이세프티브 킬러 솔리톤 소스가 고속 다량병렬 QKD 시스템에서 전통적인 레이저 어레이를 대체할 수 있는가?
• RQ2 다중채널 QKD에 DKS 기반 주파수 커브를 사용할 경우 도달 가능한 안전 키율은 얼마인가?
• RQ3 단일 채널 및 다중 채널 WDM 구성에서 DKS 기반 QKD의 성능는 어떻게 비교되는가?
• RQ4 DKS 소스가 고안정성 및 저전력 소비를 갖춘 칩스케일 통합 QKD를 얼마나 잘 실현할 수 있는가?
• RQ5 현행 칩 내부 DKS 소스가 실제 QKD 구현에 있어 실질적인 제약 요소는 무엇인가?

주요 결과

• 칩 내부 DKS 소스는 C 밴드와 L 밴드를 커버하는 150nm 이상의 대역폭을 갖춘 간섭성 주파수 커브를 생성하여 수백 개의 사용 가능한 주파수 선을 지원하였다.
• 25km 광섬유 링크에서 한 개의 주파수 선을 사용한 단일 채널 QKD 시스템에서 200kbps 이상의 안전 키율을 달성하였다.
• 다중 채널 QKD 실험에서는 모든 채널에서 평균 QBER가 3% 이하로 일관되게 유지되어 상호 간섭이나 성능 저하가 없음을 확인하였다.
• 이웃 및 비접속 채널 모두에서 안정된 성능을 유지하여 고밀도 주파수 다중화의 실현 가능성을 확인하였다.
• DKS 소스는 개별 레이저의 안정화가 거의 필요 없는 주파수 잠금 간섭성 주파수 선을 제공하여 시스템 아키텍처를 단순화시켰다.
• 결과적으로 DKS 소스와 초고속 칩 내부 변조기, 고효율 단일 광자 탐지기를 융합함으로써 Gbps 수준의 안전 키율을 확장할 잠재력이 있음을 입증하였다.