[论文解读] Experimental Demonstration of Underwater Decoy-state Quantum Key Distribution with All-optical Transmission

Yonghe Yu, Wendong Li+9 more|arXiv (Cornell University)|Jun 25, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 23被引用 6

一句话总结

该论文提出了一种采用FPGA控制的全光子水下诱骗态BB84协议的全光子水下量子密钥分发（UWQKD）系统，可在10.4米的Jerlov Type III海水通道中实现安全密钥交换。该系统在13.26 dB损耗下实现了1.82 kbps的安全密钥速率和1.55%的误码率，仿真显示其可容忍高达23.7 dB的损耗——表明其在300米长的清澈海水（Jerlov Type I）中具有潜在运行能力。

ABSTRACT

We demonstrate the underwater quantum key distribution (UWQKD) over a 10.4-meter Jerlov type III seawater channel by building a complete UWQKD system with all-optical transmission of quantum signals, synchronization signal and classical communication signal. The wavelength division multiplexing and the space-time-wavelength filtering technology are applied to ensure that the optical signals do not interfere with each other. The system is controlled by FPGA, and can be easily integrated into watertight cabins to perform field experiment. By using the decoy-state BB84 protocol with polarization encoding, we obtain a secure key rate of 1.82Kbps and an error rate of 1.55% at the attenuation of 13.26dB. We prove that the system can tolerate the channel loss up to 23.7dB, therefore may be used in the 300-meter-long Jerlov type I clean seawater channel.

研究动机与目标

• 开发一种全光子水下量子密钥分发系统，消除水下环境中对电缆或无线电波的依赖。
• 通过诱骗态BB84协议与偏振编码，展示实用化的水下量子密钥分发。
• 实现实时、安全的密钥生成，构建一种可现场部署、紧凑的系统，适用于集成至密封的水下舱室。
• 在包括信号干扰和高损耗在内的真实水下信道条件下，验证系统性能。
• 通过模拟300米清澈海水（Jerlov Type I）中的性能，展示长距离UWQKD的可行性。

提出的方法

• 系统使用八个450 nm激光器实现三强度诱骗态偏振编码，FPGA控制调制，重复频率为20 MHz，脉宽为9.5 ns。
• 采用波分复用（WDM）技术，通过二向色镜将量子信号（450 nm）、同步信号（520 nm）和经典信号（488 nm）复用至单一光路。
• 通过5 MHz、30 ns的光学脉冲实现同步，利用250 ps分辨率的可编程延迟芯片将同步脉冲延迟，以与量子信号在FPGA处对齐。
• 空间-时间-波长滤波确保量子信号、经典信号与同步信号之间的隔离，最大限度减少水下信道中的串扰。
• FPGA控制实现密钥筛选、定时与信号处理；Alice与Bob之间的所有通信均为光通信，避免使用电气或无线电链路。
• 通过LDPC编码实时执行纠错与隐私放大，侧信息通过经典信道传输，无需额外交互。

实验结果

研究问题

• RQ1 全光子UWQKD系统是否可在无电气或无线电波通信的水下环境中可靠运行，且采用诱骗态BB84协议？
• RQ2 该系统在清澈海水中实际部署时，对信道损耗的最大容忍度是多少？
• RQ3 在真实水下衰减与散射条件下，系统如何维持低误码率与高安全密钥速率？
• RQ4 FPGA控制是否可实现实时、原位密钥生成，且后处理交互最少？
• RQ5 在距离与损耗方面，该系统的性能极限如何，特别是在Jerlov Type I海水中？

主要发现

• 在10.4米的Jerlov Type III海水通道中，系统实现了1,823.4 bps（1.82 kbps）的安全密钥速率与1.55%的误码率，损耗为13.26 dB。
• 量子态层析证实了偏振态的高保真度，所有四种状态（H、V、P、M）的保真度均高于0.99。
• 系统表现出对信道损耗高达23.7 dB的容忍度，表明其在300米长的Jerlov Type I海水通道中具有可行性。
• 在300米仿真中，使用Jerlov Type I海水，LDPC纠错下安全密钥速率为27.4 bps，理想纠错下最高可达219.2 bps。
• 系统成功实现了实时密钥生成，无需中断单光子分发，隐私放大仅在筛选出170万比特密钥后执行。
• 空间-时间-波长滤波有效抑制了同一信道中量子信号、经典信号与同步信号之间的串扰。