[论文解读] Non-local temporal interferometry for highly resilient free-space quantum communication

Lukas Bulla, Matej Pivoluska+10 more|arXiv (Cornell University)|Apr 15, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

该论文通过非局域时间干涉技术，实现了10.2公里自由空间量子密钥分发，用于分发高维能量-时间超纠缠光子。通过在链路两端稳定Franson干涉仪并采用自适应维度的量子密钥分发协议，系统在强大气噪声和白天光照条件下仍能实现正的渐近密钥率，证明了其在真实世界量子通信中的鲁棒性。

ABSTRACT

Entanglement distribution via photons over long distances enables many applications, including quantum key distribution (QKD), which provides unprecedented privacy. The inevitable degradation of entanglement through noise accumulated over long distances remains one of the key challenges in this area. Exploiting the potential of higher-dimensional entangled photons promises to address this challenge, but poses extreme demands on the experimental implementation. Here, we present an interstate free-space quantum link, distributing hyper-entanglement over $10.2\,$km with flexible dimensionality of encoding by deploying a phase-stable non-local Franson interferometer. With this distribution of multidimensional energy-time entangled photons, we analyse the achievable key rate in a dimensionally-adaptive QKD protocol that can be optimized with respect to any environmental noise conditions. Our approach enables and emphasises the power of high-dimensional entanglement for quantum communication, yielding a positive asymptotic key rate well into the dawn of the day.

研究动机与目标

• 实现抗大气噪声和背景辐射的长距离自由空间量子通信。
• 克服在10.2公里自由空间中维持非局域干涉仪相位稳定性的挑战。
• 实施一种可动态调节维度的量子密钥分发协议，以在可变环境噪声下优化密钥率。
• 证明高维纠缠（超越量子比特）在嘈杂真实信道中维持正密钥率的必要性。
• 验证在强光和湍流等恶劣条件下，使用超纠缠光子实现实用化量子通信的可行性。

提出的方法

• 在10.2公里自由空间链路中，通过在发送方（爱丽丝）和接收方（鲍勃）之间共享泵浦激光参考，部署了相位稳定的非局域Franson干涉仪。
• 在鲍勃的马赫-曾德尔干涉仪中采用两组4f透镜系统，以补偿大气湍流引起的波前畸变。
• 通过基于激光稳定光参考的两步锁定程序，实现了爱丽丝与鲍勃之间亚20皮秒的时钟同步。
• 利用偏振分束器和无需后选择的探测，实现了时间-能量自由度上的Franson干涉，无需经典后处理。
• 采用周期极化KTP（ppKTP）晶体作为超纠缠光子源，通过自发参量下转换在808.9 nm波长生成纠缠光子。
• 实施一种可动态调节维度的QKD协议，根据信道噪声情况实时调整量子态维度，在后处理中完成所有优化。

实验结果

研究问题

• RQ1 非局域时间干涉是否可在10.2公里自由空间链路中稳定实现，以支持高保真度量子干涉？
• RQ2 高维能量-时间纠缠在自由空间QKD中，对大气噪声和背景辐射的抗性提升程度如何？
• RQ3 在具有强太阳背景辐射的嘈杂湍流信道中，实现正渐近密钥率所需的最小态维数是多少？
• RQ4 可动态调节维度的QKD协议是否可在不预先知晓噪声特性的情况下维持安全密钥生成？
• RQ5 在日出后背景辐射较高的情况下，纠缠态是否仍可被认证并用于密钥分发？

主要发现

• 系统在10.2公里自由空间中实现了稳定的非局域Franson干涉，证明了长距离大气信道中的相位相干性。
• 即使在白天、强太阳背景辐射和强大气湍流条件下，系统仍维持了正的渐近密钥率。
• 至少需要4维态才能实现正密钥率，更高维度下性能更优，证实了高维编码的优势。
• 可动态调节维度的QKD协议实现了基于实时信道条件的密钥率优化，无需修改硬件或预先知晓噪声特性。
• 纠缠态在日间仍可被认证和提取，即使无法生成密钥，表明其对后续协议具有鲁棒性。
• 该实现证明了空间量子通信的可行性，其信道条件与近地轨道（LEO）卫星链路在损耗和湍流方面具有相似性。