[论文解读] Perspectives of microwave quantum key distribution in open-air

Florian Fesquet, Fabian Kronowetter+9 more|arXiv (Cornell University)|Mar 10, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用 4

一句话总结

本文提出在开放大气环境中利用位移压缩态实现连续变量微波量子密钥分发（MQC），在室温下实现长达200米的无条件安全通信。研究表明，由于微波频段大气损耗更低且对噪声更具鲁棒性，微波QKD在恶劣天气条件下可优于电信波段QKD。

ABSTRACT

One of the cornerstones of quantum communication is the unconditionally secure distribution of classical keys between remote parties. This key feature of quantum technology is based on the quantum properties of propagating electromagnetic waves, such as entanglement, or the no-cloning theorem. However, these quantum resources are known to be susceptible to noise and losses, which are omnipresent in open-air communication scenarios. In this work, we theoretically investigate the perspectives of continuous-variable open-air quantum key distribution at microwave frequencies. In particular, we present a model describing the coupling of propagating microwaves with a noisy environment. Using a protocol based on displaced squeezed states, we demonstrate that continuous-variable quantum key distribution with propagating microwaves can be unconditionally secure at room temperature up to distances of around 200 meters. Moreover, we show that microwaves can potentially outperform conventional quantum key distribution at telecom wavelength at imperfect weather conditions.

研究动机与目标

• 研究在开放大气环境中使用微波进行连续变量量子密钥分发（CV-QKD）的可行性。
• 解决远距离微波量子通信中大气噪声与损耗的挑战。
• 在真实天气条件下，比较基于微波的QKD与传统电信波段QKD的性能表现。
• 评估在环境噪声存在下，利用位移压缩态的微波CV-QKD的安全性。
• 确定在开放大气场景中室温条件下微波QKD可实现的最大安全通信距离。

提出的方法

• 采用理论框架模拟开放大气中微波传播，考虑与噪声环境的耦合效应。
• 应用单向制备-测量CV-QKD协议，采用微波频段（1–10 GHz）的高斯调制。
• 使用同频混频检测测量电磁场的一个正交分量，通过连续变量编码信息。
• 采用逆向协商（RR）和正向协商（DR）进行经典后处理，以纠正误码并估计密钥率。
• 利用协方差矩阵和冯诺依曼熵推导Eve的霍尔沃指数信息，量化在纠缠克隆攻击下的安全性。
• 引入真实的大气损耗与热噪声模型，模拟不同天气条件下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 连续变量微波QKD是否能在室温下的开放大气环境中实现无条件安全？
• RQ2 在真实大气条件下，基于微波的QKD在开放大气中可实现的最大安全通信距离是多少？
• RQ3 在恶劣天气条件下，微波QKD性能与传统电信波段QKD相比如何？
• RQ4 环境噪声与损耗在多大程度上限制了开放大气中微波QKD的性能？
• RQ5 尽管存在热背景噪声，位移压缩态是否仍能实现在微波频段的安全密钥分发？

主要发现

• 利用位移压缩态的微波QKD在室温下于开放大气中实现了长达约200米的无条件安全通信。
• 该协议在真实大气条件下（包括中等至高水平噪声与损耗）仍能维持安全密钥率。
• 由于微波频段大气吸收更低且散射更少，微波QKD在恶劣天气下优于传统电信波段QKD。
• 逆向协商显著提升了高噪声与高损耗条件下的密钥率与安全余量。
• 理论模型证实，即使在室温下典型的热背景噪声水平下，基于微波的CV-QKD仍具有可行性。
• 微波源中高达10 dB的压缩度使该协议在当前超导约瑟夫森参量放大器技术下具备实验实现可行性。