[论文解读] Quantum key distribution based on a Sagnac loop interferometer and polarization-insensitive phase modulators

Bing Qi, Leilei Huang+2 more|CERN Bulletin|Apr 25, 2006

Photonic and Optical Devices被引用 12

一句话总结

该论文提出了一种使用Sagnac环形干涉仪和基于声光调制器（AOM）的相位调制的抗偏振量子密钥分发（QKD）系统，其中通过反向传播脉冲的频率偏移编码相位跳变。该方案在40 km光纤上实现了96%的干涉可见度，且在连续一小时内QBER稳定在2%至5%之间，展示了无需反馈的、高稳定性的BB84 QKD运行。

ABSTRACT

We present a design for a quantum key distribution(QKD) system in a Sagnac loop configuration, employing a novel phase modulation scheme based on frequency shift, and demonstrate stable BB84 QKD operation with high interference visibility and low quantum bit error rate (QBER). The phase modulation is achieved by sending two light pulses with a fixed time delay (or a fixed optical path delay) through a frequency shift element and by modulating the amount of frequency shift. The relative phase between two light pulses upon leaving the frequency-shift element is determined by both the time delay (or the optical path delay) and the frequency shift, and can therefore be controlled by varying the amount of frequency shift. To demonstrate its operation, we used an acousto-optic modulator (AOM) as the frequency-shift element, and vary the driving frequency of the AOM to encode phase information.The interference visibility for a 40km and a 10km fiber loop is 96% and 99%, respectively, at single photon level. We ran BB84 protocol in a 40-km Sagnac loop setup continuously for one hour and the measured QBER remained within the 2%~5% range. A further advantage of our scheme is that both phase and amplitude modulation can be achieved simultaneously by frequency and amplitude modulation of the AOM's driving signal, allowing our QKD system the capability of implementing other protocols, such as the decoy-state QKD and the continuous- variable QKD. We also briefly discuss a new type of Eavesdropping strategy ("phaseremapping" attack) in bidirectional QKD system.

研究动机与目标

• 解决长距离Sagnac QKD系统中偏振敏感相位调制器的不稳定性和复杂性问题。
• 开发一种抗偏振的相位调制技术，以消除对复杂偏振控制的需求。
• 在40 km光纤上实现稳定、无需反馈的BB84 QKD运行，具备高干涉可见度和低量子误码率（QBER）。
• 通过同时实现振幅和相位调制，实现与高级QKD协议（如诱骗态和连续变量QKD）的兼容性。
• 识别并分析一种新型的窃听威胁——相位重映射攻击，在双向QKD系统中。

提出的方法

• 通过将两个具有固定时间延迟的反向传播脉冲送入AOM，实现相位调制，其中相对相位偏移由AOM的驱动频率控制。
• 脉冲之间的相对相位差由公式 Δφ = 2πnLf/C 给出，其中 n 为光纤的有效折射率，L 为光纤长度，f 为AOM驱动频率，C 为光速。
• 采用双AOM配置（上变频器和下变频器），以抵消净频率偏移，从而在保持光频率不变的同时实现相位调制。
• 系统在Sagnac环中仅使用一个AOM作为相位调制器，通过调制AOM驱动器的频率实现相位编码。
• 利用高速数据采集卡配合平衡本振探测系统，在单光子水平上测量干涉可见度。
• 采用随机相位编码（0, π/2, π, 3π/2）实现BB84协议，QBER通过比较爱丽丝的相位选择与鲍勃的测量结果进行估计。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否为Sagnac QKD设计一种抗偏振的相位调制方案，以消除对复杂偏振控制器的需求？
• RQ2 在长距离光纤（如40 km）上，无需反馈控制时，可实现的干涉可见度和QBER稳定性水平如何？
• RQ3 基于AOM的相位调制技术能否支持高速运行，并可适配至其他QKD协议（如诱骗态和连续变量QKD）？
• RQ4 在基于频率偏移的相位调制的双向QKD系统中，会引发何种新型的窃听漏洞？
• RQ5 此类系统中的相位重映射攻击能否被量化并加以缓解？

主要发现

• Sagnac QKD系统在40 km光纤环路上实现了96%的干涉可见度，在10 km环路上实现了99%的可见度，均在单光子水平下测量。
• 在连续一小时运行中，QBER稳定保持在2%至5%之间，且无需反馈控制。
• 系统实现了高达200 kHz的相位调制速率，具备达到数MHz的潜力，表明其与高速QKD的兼容性。
• 识别出一种相位重映射攻击，其中Eve可将编码相位映射为可控值，引入14.6%的QBER，同时可获取完整密钥。
• 采用双AOM配置（图1b）可消除净频率偏移，关闭相位重映射漏洞，恢复无条件安全性。