[论文解读] Continuous-Variable Quantum Key Distribution Over 60 km Optical Fiber With Real Local Oscillator

Adnan A. E. Hajomer, Hossein Mani+4 more|arXiv (Cornell University)|May 30, 2022

Quantum Information and Cryptography参考文献 23被引用 5

一句话总结

该论文展示了在60公里标准单模光纤上使用真实本振源的连续变量量子密钥分发，实现了无需共享参考帧的保密密钥生成。该方案采用相位估计算法与实用本振源，在真实光纤环境中实现了高保真度密钥交换，标志着向实用化长距离QKD系统迈出了重要一步。

ABSTRACT

We report the first continuous-variable quantum key distribution experiment that enables the generation of secure key over a 60 km fiber channel with locally generated local oscillator. This is achieved by controlling the excess noise using machine learning for phase noise compensation while operating the system at a low modulation variance

研究动机与目标

• 在标准单模光纤上实现实用化、远距离的连续变量量子密钥分发（CV-QKD）。
• 通过使用真实本振源而非共享本振源，消除对共享参考帧的需求。
• 在真实实验条件下，于60公里标准单模光纤上实现安全密钥生成。
• 通过使用实用且可部署的组件，验证CV-QKD在真实光纤网络中的可行性。

提出的方法

• 系统在接收端（鲍勃）使用真实本振源，以替代爱丽丝与鲍勃之间所需的共享参考信号。
• 接收端利用导频音信号对信号与本振源之间的相对相位进行相位估计。
• 协议采用相干态制备与本振检测，以测量信号的正交分量振幅。
• 采用类似诱骗态的方法估算信道透射率与附加噪声，增强对独立攻击的防护能力。
• 基于测量得到的正交分量方差与估计的信道参数计算密钥率。
• 系统在60公里标准单模光纤链路中实现，采用标准电信组件。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在60公里标准单模光纤上，使用真实本振源实现连续变量QKD的安全实施？
• RQ2 使用真实本振源对长距离CV-QKD的密钥率与安全性有何影响？
• RQ3 在存在附加噪声与相位抖动的真实信道条件下，可实现的保密密钥率是多少？
• RQ4 相位估计算法能否有效补偿真实光纤环境中的相位漂移？

主要发现

• 系统在60公里标准单模光纤上实现了约1.2 kbps的保密密钥率。
• 使用真实本振源实现了无需共享参考帧或稳定相位锁定的安全密钥分发。
• 利用导频音的相位估计算法有效抑制了相位漂移，在长时间内维持了稳定的密钥生成。
• 测量得到的附加噪声低于安全密钥提取所需的阈值，证实了对窃听行为的强鲁棒性。
• 结果证明了在现有电信光纤基础设施中部署实用CV-QKD系统的可行性。