[论文解读] Free-space quantum key distribution to a moving receiver

Jean‐Philippe Bourgoin, Brendon L. Higgins+6 more|arXiv (Cornell University)|May 1, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 39被引用 44

一句话总结

该论文首次实现了从静止发射源到移动接收机的自由空间量子密钥分发（QKD），模拟了低地球轨道卫星。通过实时光束指向、偏振和飞行时间补偿，系统在动态链路中实现了每秒40比特的渐近安全密钥率，验证了基于卫星的QKD在移动平台上的可行性。

ABSTRACT

Technological realities limit terrestrial quantum key distribution (QKD) to single-link distances of a few hundred kilometers. One promising avenue for global-scale quantum communication networks is to use low-Earth-orbit satellites. Here we report the first demonstration of QKD from a stationary transmitter to a receiver platform traveling at an angular speed equivalent to a 600 km altitude satellite, located on a moving truck. We overcome the challenges of actively correcting beam pointing, photon polarization and time-of-flight. Our system generates an asymptotic secure key at 40 bits/s.

研究动机与目标

• 证明静止源与移动接收机平台之间量子密钥分发（QKD）的可行性。
• 克服自由空间QKD中动态光束指向、偏振漂移和飞行时间变化带来的挑战。
• 通过模拟低地球轨道卫星运动的移动接收机，验证地面到卫星QKD的可行性。
• 在具有高信道损耗的真实动态条件下，实现渐近安全密钥生成。

提出的方法

• 采用1550 nm单光子源和自由空间光链路的静止BB84诱骗态QKD系统。
• 通过偏振跟踪系统的反馈，实现了光束指向、偏振态和飞行时间的实时主动补偿。
• 自研指向系统实现了与以相当于600公里高度卫星角速度移动的卡车之间的光学对准。
• 后处理包括使用低密度奇偶校验码进行误码校正，以及采用简化托普利茨矩阵的两-通用哈希函数进行隐私放大。
• 系统采用0.16 ns符合窗口以提高信噪比并降低QBER。
• 对光源非理想性的建模表明，自发四波混频晶体的效率不足和调制器的相位偏差是导致本征QBER的主要原因。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在与低地球轨道卫星角速度一致的移动接收机平台上成功建立QKD？
• RQ2 在动态指向、偏振和时间变化条件下，维持安全密钥生成所需的实时补偿程度如何？
• RQ3 光源中的本征QBER对移动QKD系统中安全密钥率和有限尺寸密钥提取有何影响？
• RQ4 系统非理想性（如晶体效率不平衡和调制器相位误差）在多大程度上会降低QKD性能？

主要发现

• 系统在4秒链路时长内实现了每秒40比特的渐近安全密钥率，测得QBER为6.55%。
• 对11,477比特原始密钥进行后处理后，获得5,844比特筛选密钥和160比特安全密钥（不考虑有限尺寸效应）。
• 建模结果表明，本征QBER主要源于91%的态纯度和94%的保真度，以及两个SFG晶体之间2:1的效率不平衡。
• 测得系统损耗为30.6 dB，单光子QBER上限为5.85%。
• 研究证实，为在十倍标准差下提取安全密钥，有限尺寸统计需约13,210秒的数据。
• 改进措施如降低光源QBER和增加二级精调指向机构，可使移动平台实现更高密钥率和更远距离的QKD。