[论文解读] Homodyne Detection Quadrature Phase Shift Keying Continuous-Variable Quantum Key Distribution with High Excess Noise Tolerance

Wen‐Bo Liu, Chen-Long Li+8 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 81被引用 103

一句话总结

该论文提出了一种基于同频混频检测的连续变量量子密钥分发协议，采用四相位调制的相干态（QPSK），通过反向协商和信号映射优化，实现了对过量噪声的高容忍度，优于以往的同频混频方案，可在接近城际距离下实现安全密钥分发，并提升对探测器噪声的鲁棒性。

ABSTRACT

Discrete-modulated continuous-variable quantum key distribution with homodyne detection is widely recognized for its ease of implementation, efficiency with respect to error correction, and its compatibility with modern optical communication devices. However, recent studies report that the application of homodyne detection obtains poor tolerance to excess noise and insufficient transmission distance, hence seriously restricting the large-scale deployment of quantum secure communication networks. In this paper, we propose a homodyne detection protocol using the quadrature phase shift keying technique. By limiting information leakage, our proposed protocol enhances excess noise tolerance to a high level. Furthermore, we demonstrate that homodyne detection performs better than heterodyne detection in quaternary-modulated continuous-variable quantum key distribution under the untrusted detector noise scenario. The security is analyzed using the tight numerical method against collective attacks in the asymptotic regime. Our results imply that the current protocol is able to distribute keys in nearly intercity area and thus paves the way for constructing low-cost quantum secure communication networks.

研究动机与目标

• 解决现有离散调制连续变量量子密钥分发中同频混频检测协议在过量噪声容忍度差和传输距离有限的问题。
• 提升连续变量量子密钥分发在大规模量子安全通信网络中的实用性。
• 证明在不可信探测器噪声条件下，同频混频检测可优于异频混频检测。
• 通过采用四进制调制协议并优化信号映射，提升安全性和密钥率性能。

提出的方法

• 在 π/4、3π/4、5π/4 和 7π/4 处使用四相位相干态进行离散调制。
• 每轮随机选择正交 quadrature（q 或 p）进行同频混频检测。
• 采用反向协商：基于鲍勃测量的正交分量，从相位标签中推导爱丽丝的原始密钥。
• 通过阈值 ∆ 实施后选机制，筛选测量结果以减少信息泄露。
• 在渐近极限下，采用紧致的数值安全分析方法应对集体攻击。
• 通过参数调优和在过量噪声存在下的噪声鲁棒性优化密钥率计算。

实验结果

研究问题

• RQ1 同频混频检测结合离散调制能否在连续变量量子密钥分发中实现高过量噪声容忍？
• RQ2 基于相位的密钥映射的QPSK调制协议是否在密钥率和传输距离上优于现有同频混频方案？
• RQ3 在不可信探测器噪声条件下，同频混频检测能否在性能上超越异频混频检测？
• RQ4 该协议在实现高过量噪声容忍的前提下，最大可实现的传输距离是多少？

主要发现

• 所提出的协议相较于以往采用离散调制的同频混频检测协议，实现了显著更高的过量噪声容忍度。
• 传输距离已扩展至接近城际规模，适用于城域网络的实际部署。
• 密钥率与异频混频检测协议相当，且在不可信探测器噪声条件下性能更优。
• 在探测器存在非理想性，尤其是过量噪声条件下，同频混频检测优于异频混频检测。
• 在集体攻击下，协议保持了高安全性，经由渐近极限下的紧致数值分析验证。
• 通过 ∆ > 0 的后选机制可提升密钥率和噪声鲁棒性，证明了信号映射优化的有效性。