[论文解读] GHz QKD at telecom wavelengths using up-conversion detectors

Rob Thew, S. Tanzilli+7 more|CERN Bulletin|Dec 7, 2005

Advanced Optical Sensing Technologies参考文献 1被引用 78

一句话总结

该论文展示了一种基于周期极化锂 niobate 波导的上转换探测器与低抖动硅单光子雪崩二极管（SPAD）的GHz速率量子密钥分发（QKD）系统，工作在通信波段。混合探测方案实现了高时间分辨率的连续波操作，在25 km标准光纤上实现了1.27 GHz的量子比特速率和超过100 kbit/s的安全密钥速率，量子误码率（QBER）低于2%。

ABSTRACT

We have developed a hybrid single photon detection scheme for telecom wavelengths based on nonlinear sum-frequency generation and silicon single-photon avalanche diodes (SPADs). The SPAD devices employed have been designed to have very narrow temporal response, i.e. low jitter, which we can exploit for increasing the allowable bit rate for quantum key distribution. The wavelength conversion is obtained using periodically poled Lithium niobate waveguides (W/Gs). The inherently high efficiency of these W/Gs allows us to use a continuous wave laser to seed the nonlinear conversion so as to have a continuous detection scheme. We also present a 1.27GHz qubit repetition rate, one-way phase encoding, quantum key distribution experiment operating at telecom wavelengths that takes advantage of this detection scheme. The proof of principle experiment shows a system capable of MHz raw count rates with a QBER less than 2% and estimated secure key rates greater than 100 kbit/s over 25 km.

研究动机与目标

• 通过开发高速、低抖动的探测方案，克服传统InGaAs SPAD在通信波段QKD中的局限性。
• 通过将通信波长光子通过波长上转换移至硅探测波段，实现在长距离下的高比特率QKD。
• 展示使用低抖动Si SPAD与非线性频率转换实现相位编码QKD的连续、自由运行操作的可行性。
• 在25 km和50 km距离下，采用BB84与SARG协议，实现超过100 kbit/s的安全密钥速率，且QBER降级最小。

提出的方法

• 利用周期极化锂 niobate（PPLN）波导中的非线性和频生成（SFG），将通信波段光子（1550 nm）转换至硅探测波段（800–1000 nm）。
• 采用时间抖动约为40 ps的低抖动硅SPAD，以实现高时间分辨率和MHz量级的光子计数速率。
• 将上转换探测器集成至单向相位编码QKD系统中，使用弱相干脉冲，重复频率为1.27 GHz。
• 采用BB84与SARG协议，结合基矢筛选与误码校正，基于可信设备模型与独立攻击进行安全性分析。
• 基于实验测得的QBER与原始计数率，利用诱骗态QKD与SARG协议安全性的理论框架，估算安全密钥速率。
• 优化系统参数，包括平均光子数（μ）与探测效率，以在真实信道损耗与噪声条件下最大化安全密钥速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 使用低抖动Si SPAD的上转换探测是否可在通信波段实现具有实用安全密钥速率的GHz速率QKD？
• RQ2 基于PPLN波导的SFG与高速Si SPAD的组合如何影响长距离QKD中的QBER与探测效率？
• RQ3 在25 km与50 km标准光纤上，采用该探测方案的BB84与SARG协议可实现的原始密钥速率与安全密钥速率分别是多少？
• RQ4 色散对系统性能的影响程度如何？当前探测与系统参数是否足以缓解该影响？
• RQ5 系统是否可在不牺牲时间分辨率或密钥速率的前提下实现连续、自由运行？

主要发现

• 在25 km距离下，采用BB84协议时，原始密钥速率达710 kbit/s，安全密钥速率为135 kbit/s，QBER为1.84%。
• 在SARG协议下，25 km距离的原始密钥速率达2.04 Mbit/s，安全密钥速率为140 kbit/s，QBER为1.82%。
• 在50 km标准光纤上，SARG协议的安全密钥速率为20 kbit/s，而BB84协议仅为2 kbit/s，表明SARG对损耗具有更强的鲁棒性。
• 实验测得的QBER值与理论预测高度吻合，表明色散影响极小（50 km下估计仅约0.3%）。
• Si-SFG探测器实现了超过5%的单光子探测效率，但存在显著噪声，仍需进一步优化。
• 系统实现了连续、自由运行操作，具备MHz量级计数速率与低时间抖动，实现了无时间约束的高速QKD。