[论文解读] Practical Continuous-variable Quantum Key Distribution with Feasible Optimization Parameters

Li Ma, Jie Yang+13 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2021

Quantum Information and Cryptography参考文献 2被引用 4

一句话总结

本文提出了一种针对连续变量量子密钥分发（CV-QKD）的实用优化框架，可在不更改硬件的情况下提升保密密钥率（SKR）。通过在后处理容量约束下联合优化调制方差与纠错矩阵，该方法在50 km处实现了理论SKR提升24%和200%，实验结果表明实际性能与理论最优值偏差小于1.6%。

ABSTRACT

Continuous-variable quantum key distribution (CV-QKD) offers an approach to achieve a potential high secret key rate (SKR) in metropolitan areas. There are several challenges in developing a practical CV-QKD system from the laboratory to the real world. One of the most significant points is that it is really hard to adapt different practical optical fiber conditions for CV-QKD systems with unified hardware. Thus, how to improve the performance of practical CV-QKD systems in the field without modification of the hardware is very important. Here, a systematic optimization method, combining the modulation variance and error correction matrix optimization, is proposed to improve the performance of a practical CV-QKD system with a restricted capacity of postprocessing. The effect of restricted postprocessing capacity on the SKR is modeled as a nonlinear programming problem with modulation variance as an optimization parameter, and the selection of an optimal error correction matrix is studied under the same scheme. The results show that the SKR of a CV-QKD system can be improved by 24% and 200% compared with previous frequently used optimization methods theoretically with a transmission distance of 50 km. Furthermore, the experimental results verify the feasibility and robustness of the proposed method, where the achieved optimal SKR achieved practically deviates <1.6% from the theoretical optimal value. Our results pave the way to deploy high-performance CV-QKD in the real world.

研究动机与目标

• 为解决在具有不同信道条件的现实光纤网络中部署实用CV-QKD系统的挑战。
• 在不修改现有硬件或后处理基础设施的前提下，提升CV-QKD中的保密密钥率（SKR）。
• 开发一种系统性优化方法，考虑现实系统中后处理能力的限制。
• 在实验条件下验证所提优化方法的可行性与鲁棒性。

提出的方法

• 该方法将后处理能力受限的影响建模为非线性规划问题，以调制方差为主要优化参数。
• 提出联合优化调制方差与纠错矩阵，以在硬件与处理能力约束下最大化SKR。
• 优化框架设计为与现有CV-QKD系统兼容，实现无需硬件升级的实用部署。
• 通过真实光纤链路的实验验证支持理论分析，以评估性能与鲁棒性。
• 根据信道条件与后处理能力选择纠错矩阵，以最小化信息损失。

实验结果

研究问题

• RQ1 在后处理能力受限的条件下，如何最大化实用CV-QKD系统的保密密钥率？
• RQ2 在真实光纤条件下，调制方差与纠错矩阵的最佳组合是什么？
• RQ3 仅通过软件级优化而不改变硬件，SKR最多可提升多少？
• RQ4 在真实世界约束下，实验性能与理论SKR最优值的接近程度如何？

主要发现

• 与以往优化方法相比，所提方法在50 km传输距离下实现了理论保密密钥率24%的提升。
• 在同一距离下，与传统优化技术相比，理论SKR提升最高可达200%。
• 实验结果表明，所实现的最优SKR与理论最大值偏差小于1.6%，证实了其高度可行性与鲁棒性。
• 该优化框架在无需硬件修改的情况下，可在不同光纤信道条件下保持高性能。
• 调制方差与纠错矩阵的联合优化显著提升了系统在真实部署中的鲁棒性与密钥率。