[论文解读] 600 km repeater-like quantum communications with dual-band stabilisation

Mirko Pittaluga, Mariella Minder+6 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2020

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于双场量子密钥分发（TF-QKD）的双波段相位稳定方案，采用两种不同波长分离稳定信号与量子信号。通过消除高功率参考脉冲引起的瑞利散射噪声，该方法在渐近和有限尺寸两种情形下分别实现了605 km和555 km的密钥率，与以往单波长方法相比，在长距离下密钥率提升了100倍，实现了类似中继器的性能表现。

ABSTRACT

Twin-field (TF) quantum key distribution (QKD) fundamentally alters the rate-distance relationship of QKD, offering the scaling of a single-node quantum repeater. Although recent experiments have demonstrated the new opportunities for secure long-distance communications allowed by TF-QKD, formidable challenges remain to unlock its true potential. Previous demonstrations have required intense stabilisation signals at the same wavelength as the quantum signals, thereby unavoidably generating Rayleigh scattering noise that limits the distance and bit rate. Here, we introduce a novel dual-band stabilisation scheme that overcomes past limitations and can be adapted to other phase-sensitive single-photon applications. Using two different optical wavelengths multiplexed together for channel stabilisation and protocol encoding, we develop a setup that provides repeater-like key rates over record communication distances of 555 km and 605 km in the finite-size and asymptotic regimes respectively, and increases the secure key rate at long distance by two orders of magnitude to values of practical significance.

研究动机与目标

• 为克服高功率稳定信号与量子信号共用同一波长时引起的瑞利散射噪声这一长距离双场QKD的根本限制。
• 通过在600 km光纤上实现相位漂移的稳定，同时不损害信噪比，从而实现实用化的长距离量子密钥分发。
• 开发一种双波长稳定技术，将高功率参考信号与低功率量子信号解耦，从而提升系统性能与探测器动态范围。
• 在真实光纤条件下，实现555 km（有限尺寸）和605 km（渐近）的类似中继器的密钥率。

提出的方法

• 双波段稳定方案在单根光纤上复用两种光波长：一种用于高功率相位参考信号，另一种用于量子信号。
• 高功率参考信号实时稳定相位漂移，使残余漂移降低超过1000倍，从而允许使用低功率量子信号进行最终相位补偿。
• 两种波长由独立激光器生成，并通过波分复用技术分离，防止瑞利后向散射污染量子信号。
• 系统采用双向经典通信（TWCC）协议校正误码并消除量子误码率的下限，从而实现长距离密钥分发。
• 通过参考信号实现主动反馈以完成相位匹配，而量子信号检测则在与稳定信号相同波长但极低光强下进行。
• 该方法与现有TF-QKD协议兼容，特别是发送-不发送（SNS）变体，且可扩展至其他对相位敏感的单光子应用。

实验结果

研究问题

• RQ1 双波长稳定技术能否在长距离TF-QKD系统中消除瑞利散射噪声？
• RQ2 采用双波段稳定方法，在600 km光纤上可实现的最大安全密钥率是多少？
• RQ3 在长距离下，双波段稳定技术与单波长方案相比，在密钥率和误码率方面有何差异？
• RQ4 双波段方法在多大程度上可将实用量子密钥分发的传输距离扩展至当前509 km纪录以上？
• RQ5 双波段方法在实用QKD系统的有限尺寸范围内能否维持高密钥率？

主要发现

• 系统在555.172 km的量子光纤上实现了1.777 bit/s的安全密钥率，相比以往单波长方案在相似距离下的密钥率提升了100倍。
• 在渐近情形下，系统在605 km距离上实现了14.68 bit/s的安全密钥率，超出PLOB极限63.4倍。
• 与单波长稳定相比，双波段方法使相位漂移降低了1000倍以上，实现了600 km光纤上的稳定运行。
• 经过双向经典通信后，系统Z误码率降至1.22%，显著低于校正前的9.98%，表明具有优异的误码抑制能力。
• 在渐近情形下，实际安全密钥率与PLOB极限的比值达到63.4，表明性能接近最优。
• 该方法实现了605 km传输，密钥率为14.68 bit/s，创下TF-QKD中类似中继器性能的新纪录。