[论文解读] High-rate intercity quantum key distribution with a semiconductor single-photon source

Jingzhong Yang, Zenghui Jiang+14 more|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 64被引用 4

一句话总结

本论文首次展示了使用在通信C频段发射的半导体量子点单光子源实现城际量子密钥分发（QKD）。在79公里光纤链路（总损耗25.49 dB）上运行，实现了每脉冲4.8×10⁻⁵比特的密钥率，并实现了28.11 dB的渐近最大可容忍损耗，优于现有基于单光子源的QKD系统，接近采用弱相干脉冲的诱骗态QKD性能。

ABSTRACT

Quantum key distribution (QKD) enables the transmission of information that is secure against general attacks by eavesdroppers. The use of on-demand quantum light sources in QKD protocols is expected to help improve security and maximum tolerable loss. Semiconductor quantum dots (QDs) are a promising building block for quantum communication applications because of the deterministic emission of single photons with high brightness and low multiphoton contribution. Here we report on the first intercity QKD experiment using a bright deterministic single photon source. A BB84 protocol based on polarisation encoding is realised using the high-rate single photons in the telecommunication C-band emitted from a semiconductor QD embedded in a circular Bragg grating structure. Utilising the 79 km long link with 25.49 dB loss (equivalent to 130 km for the direct-connected optical fibre) between the German cities of Hannover and Braunschweig, a record-high secret key bits per pulse of 4.8 * 10^{-5} with an average quantum bit error ratio of ~ 0.65 % are demonstrated. An asymptotic maximum tolerable loss of 28.11 dB is found, corresponding to a length of 144 km of standard telecommunication fibre. Deterministic semiconductor sources therefore challenge state-of-the-art QKD protocols and have the potential to excel in measurement device independent protocols and quantum repeater applications.

研究动机与目标

• 在真实城际光纤网络中，利用确定性半导体单光子源实现高数据率、长距离QKD。
• 克服传统弱相干脉冲光源的局限性，如易受光子数分离攻击影响及密钥率低的问题。
• 验证半导体量子点作为可扩展、高性能光源在下一代量子通信网络中的可行性。
• 评估确定性单光子源在真实世界信道条件下，于实际长距离QKD部署中的性能表现。

提出的方法

• 实验采用嵌入环形布拉格光栅结构中的半导体量子点，实现1550 nm波段（通信C频段）的按需、高亮度单光子发射。
• 采用偏振编码的BB84协议，利用单光子源和自由空间分束器完成态制备与测量。
• 系统在德国汉诺威与布伦瑞克之间79公里已部署光纤链路上运行，总损耗为25.49 dB。
• 平均量子比特误码率（QBER）为0.65%，表明信号质量高且噪声低。
• 在渐近和有限密钥两种情形下评估密钥率（SKR），并优化光源效率、光子纯度及系统暗计数。
• 理论建模预测，在未来可行改进下，渐近最大可容忍损耗可达54.1 dB，对应标准光纤中理论传输距离276.58 km。

实验结果

研究问题

• RQ1 确定性半导体单光子源是否能在具有实际损耗预算的城际光纤链路上实现高密钥率QKD？
• RQ2 基于量子点的QKD系统密钥率与当前最先进的弱相干脉冲诱骗态QKD相比如何？
• RQ3 在真实世界部署中，基于单光子源的QKD系统可容忍的最大损耗是多少？
• RQ4 光源效率、光子纯度和暗计数率等系统参数在多大程度上影响密钥率和损耗容忍度？
• RQ5 半导体量子点能否作为测量设备无关及量子中继器型量子网络的可行构建模块？

主要发现

• 在79公里光纤链路（总损耗25.49 dB）上，实验实现了每脉冲4.8×10⁻⁵比特的密钥率。
• 平均量子比特误码率（QBER）为0.65%，表明系统信号质量高且噪声低。
• 实验验证了28.11 dB的渐近最大可容忍损耗，对应标准光纤中理论传输距离143.71 km。
• 该系统在密钥率方面优于所有此前报道的基于单光子源的QKD实现。
• 理论建模表明，若未来在光源效率、光子纯度和暗计数抑制方面实现可行改进，最大可容忍损耗可达54.1 dB（对应276.58 km传输距离）。
• 结果表明，即使未经进一步优化，半导体量子点光源的性能也可与成熟的弱相干脉冲诱骗态QKD相媲美或超越。