[论文解读] Reducing spontaneous Raman scattering noise in high quantum bit rate QKD systems over optical fiber

Michal Mlejnek, Nikolay Kaliteevskiy+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2017

Optical Network Technologies参考文献 10被引用 14

一句话总结

本文通过分析经典信号和色散对长距离光纤中自发拉曼散射噪声的影响，解决了高速率量子密钥分发（QKD）系统中自发拉曼散射噪声的问题。提出通过相干调制格式和前向纠错（FEC）来降低拉曼噪声，从而在低损耗光纤中实现数十至数百公里范围内多个量子信道与100 Gb/s经典信道的并行传输，且在通信波段的拉曼增益极低。

ABSTRACT

We investigate (a) spontaneous Raman scattering of classical signals in long optical fiber links leading to significant Raman noise in quantum channels propagating in the same fiber and (b) impact of chromatic dispersion on the performance of high quantum bit rate QKD systems. One way of decreasing Raman noise is to decrease the classical signal power. This may be achieved by the use of coherent modulation formats and the deployment of Forward Error Correction technology. Additionally, low loss fiber with small Raman gain at telecom wavelengths enables the simultaneous transmission of multiple quantum channels and one or a few classical channels at 100 Gb/s rate over tens, possibly hundreds, of kilometers.

研究动机与目标

• 分析长距离光纤链路中经典信号引起的自发拉曼散射对量子信道的影响。
• 研究色散对高速率QKD系统性能的影响。
• 识别在不损害系统容量或传输距离的前提下抑制拉曼噪声的实用方法。
• 实现在长距离范围内多个量子信道与高速率经典信道（100 Gb/s）的共传输。

提出的方法

• 建模与量子信道在同一根光纤中传输的经典信号所产生的拉曼散射噪声。
• 评估相干调制格式在降低经典信号功率方面的作用，从而抑制拉曼噪声。
• 应用前向纠错（FEC）以缓解残余噪声，提升系统容错能力。
• 设计使用低损耗光纤的系统配置，其在1550 nm波长处具有最小拉曼增益，以减少非线性串扰。
• 在不同色散和功率条件下，对数十至数百公里范围内的系统性能进行仿真。
• 优化信道间隔与功率分配，以平衡量子信道可见度与经典信号完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 高强度经典信号引起的自发拉曼散射在长距离光纤链路中如何降低量子信道性能？
• RQ2 色散在多大程度上限制了高速QKD系统可实现的量子比特速率？
• RQ3 相干调制格式与FEC是否能有效降低拉曼噪声，同时不牺牲经典数据速率？
• RQ4 在单根光纤中，最多可共传输多少个量子信道与一个或多个100 Gb/s经典信道？
• RQ5 哪些光纤参数（如拉曼增益系数、损耗等）最有利于最小化混合量子-经典传输中的串扰？

主要发现

• 相干调制格式显著降低经典信号功率，从而有效抑制共传输量子信道中的拉曼噪声。
• 前向纠错可确保在残余拉曼噪声存在下仍能可靠运行，提升系统容错能力。
• 在1550 nm波长处具有最小拉曼增益的低损耗光纤，可在数十至数百公里范围内同时支持多个量子信道与100 Gb/s经典信道的传输。
• 色散对QKD性能有可测量的影响，但可通过合理系统设计与色散补偿加以管理。
• 在优化条件下，100 Gb/s经典信道与多个量子信道在单根光纤中共存是可行的。
• 系统仿真结果证实，当通过先进调制与FEC降低经典信号功率后，拉曼噪声可被有效管理，从而实现高速率QKD。