[论文解读] Fully automated entanglement-based quantum cryptography system for telecom fiber networks

Alexander Treiber, Andreas Poppe+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 18, 2009

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用 26

一句话总结

该论文展示了一款完全自动化、紧凑且便携的基于纠缠的量子密钥分发（QKD）系统，工作波长为1550 nm，适用于电信光纤网络。通过使用自发参量下转换产生的偏振纠缠光子对以及先进的稳定模块，该系统在长达两周的连续、无人值守运行中，实现了在16 km已部署光纤上2000 bit/s的密钥生成速率，平均纠缠可见度达93%，误码率（QBER）为3.5%。

ABSTRACT

We present a quantum key distribution (QKD) system based on polarisation entanglement for use in telecom fibers. A QKD exchange up to 50km was demonstrated in the laboratory with a secure key rate of 550 bit/s. The system is compact, portable with a fully automated start-up and stabilisation modules for polarisation, synchronisation and photon coupling allow a hands-off operation. Stable and reliable key exchange in a deployed optical fiber of 16km length was demonstrated. In this fiber network we achieved over two weeks an automatic key generation with an average key rate of 2000 bit/s without manual intervention. During this period, the system had an average entanglement visibility of 93%, highlighting the technical level and stability achieved for entanglement-based quantum cryptography.

研究动机与目标

• 开发一种基于偏振纠缠光子的完全自动化、紧凑且便携的QKD系统，用于在现有电信光纤网络中实际部署。
• 克服在真实光纤环境中长期稳定运行和无人值守操作的技术挑战，特别是环境波动对偏振和时间同步的影响。
• 通过使用电信波段光子（1550 nm）在已部署的光纤中实现稳定、高保真度的纠缠分发，从而支持长距离、可靠的QKD。
• 在无需人工干预的真实网络环境中实现高密钥速率和低QBER，证明实用化量子密码学的可行性。
• 通过在部署的城市光纤网络中连续运行两周，验证系统的鲁棒性和可靠性，且停机时间极少。

提出的方法

• 系统采用Kwiat等人配置的I型自发参量下转换（SPDC）光源，在810 nm和1550 nm波长处生成偏振纠缠光子对。
• 1550 nm光子耦合进入单模光纤进行传输，而810 nm光子则用于触发和偏振控制，通过光纤内组件实现。
• 通过在爱丽丝和鲍勃端均配置的电子反馈回路与偏振控制器（PC1和PC2），实现完全自动化的偏振控制，实现实时稳定，抵抗环境漂移。
• 通过共享时钟信号和基于FPGA的定时电子设备保持同步，确保精确符合检测，用于密钥生成。
• 在两个站点均使用InGaAs雪崩光电二极管（APDs）进行光子探测，信号处理由FPGA完成，用于计算QBER并提取最终密钥。
• 系统包含自动对准程序，可检测并校正偏振漂移、探测器错位和时间偏移，实现持续、无人值守运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 完全自动化、无需人工干预的基于纠缠的QKD系统能否在已部署的电信光纤上实现稳定、长期的密钥生成？
• RQ2 在存在环境波动的真实光纤网络中，长时间运行下能维持多高的纠缠可见度和密钥速率？
• RQ3 与弱相干态QKD系统相比，基于纠缠的QKD系统在可靠性与操作自主性方面表现如何？
• RQ4 自动稳定模块（偏振、时间、耦合）在多大程度上可减少现场部署的QKD系统对人工干预的需求？
• RQ5 在标准电信光纤上实现16 km距离的高保真度纠缠分发是否可行，且在连续两周运行中衰减极小？

主要发现

• 在50 km实验室光纤链路上，系统利用1550 nm波长的偏振纠缠光子实现了550 bit/s的安全密钥速率。
• 在真实部署中，系统在16 km已部署光纤链路上连续运行168小时（两周），平均密钥速率为2000 bit/s，QBER为3.5%。
• 平均纠缠可见度为93%，在99.9%的运行时间内可见度超过90%，表明系统具有高度稳定性和保真度。
• 系统在336小时中有232小时处于运行状态（69%正常运行时间），其中19%的停机时间由网络中断引起，7%由探测器关断引起，表明系统具有高可靠性。
• 现场QBER分布（FWHM为0.8%）与实验室结果（FWHM为0.6%）几乎完全一致，表明系统对真实环境中环境变化具有强鲁棒性。
• 系统在重启网络后能自动恢复密钥生成，并在发生漂移后自动重新对准，仅用5%的时间进行对准，证明了其有效的自主运行能力。