[论文解读] Resource-effective Quantum Key Distribution: a field-trial in Padua city center

Marco Avesani, Luca Calderaro+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 15, 2020

Quantum Information and Cryptography参考文献 32被引用 38

一句话总结

本论文展示了在意大利帕多瓦进行的资源高效量子密钥分发（QKD）现场试验，采用自稳定iPOGNAC偏振编码器和Qubit4Sync时间同步技术，在3.4公里城市光纤链路上实现。该系统在真实环境下实现了稳定的保密密钥速率与低量子误码率（QBER），证明了其在现有电信基础设施中实现低复杂度、快速部署的可行性。

ABSTRACT

Field-trials are of key importance for novel technologies seeking commercialization and wide-spread adoption. This is certainly also the case for Quantum Key Distribution (QKD), which allows distant parties to distill a secret key with unconditional security. Typically, QKD demonstrations over urban infrastructures require complex stabilization and synchronization systems to maintain a low Quantum Bit Error (QBER) and high secret key rates over time. Here we present a field-trial which exploits a low-complexity self-stabilized hardware and a novel synchronization technique, to perform QKD over optical fibers deployed in the city center of Padua, Italy. In particular, two techniques recently introduced by our research group are evaluated in a real-world environment: the iPOGNAC polarization encoder was used for the preparation of the quantum states, while the temporal synchronization was performed using the Qubit4Sync algorithm. The results here presented demonstrate the validity and robustness of our resource-effective QKD system, that can be easily and rapidly installed in an existing telecommunication infrastructure, thus representing an important step towards mature, efficient and low-cost QKD systems.

研究动机与目标

• 展示一种适用于现有电信网络实际部署的低复杂度、资源高效的QKD系统。
• 在实验室外的真实城市环境中验证iPOGNAC偏振编码器与Qubit4Sync同步方法的有效性。
• 在城市中心的3.4公里光纤链路上，实现在真实条件下稳定保密密钥速率与低QBER。
• 弥合实验室QKD实验与商业化、可扩展QKD系统之间的差距。
• 实现在现有基础设施中快速、低成本部署QKD，而无需大量校准或额外硬件。

提出的方法

• 系统采用1550 nm波长的偏振编码实现简化的三态单诱骗态BB84协议。
• 基于Sagnac干涉仪的iPOGNAC偏振编码器可生成稳定的|L⟩、|R⟩和|D⟩态，无需校准。
• 通过Qubit4Sync实现时间同步，该方法利用量子比特交换确定时钟周期与绝对时间，无需外部信号。
• 采用基于Sagnac的强度调制器，固定µ/ν比值约为4.5。
• 利用双波长波分复用（dWDM）将经典与量子信道复用至同一根光纤。
• 接收端使用自由运行的InGaAs/InP SPAD探测器并结合时间滤波，无需同步脉冲即可运行。

实验结果

研究问题

• RQ1 自稳定iPOGNAC偏振编码器是否能在真实城市光纤环境中维持低QBER？
• RQ2 Qubit4Sync是否能在不增加额外硬件或时钟分发的情况下实现可靠同步？
• RQ3 在3.4公里城市光纤链路上，真实条件下可实现的保密密钥速率与QBER分别为多少？
• RQ4 该系统在现有电信基础设施中部署时，其稳定性和资源效率表现如何？
• RQ5 这种低复杂度QKD系统是否可实现快速安装与运行，而无需大量校准？

主要发现

• 现场试验中，系统在3.4公里光纤链路上实现了1.2 kbps的保密密钥速率，QBER为2.1%。
• iPOGNAC编码器在整个试验期间保持了稳定的偏振态，无需校准。
• Qubit4Sync实现了鲁棒的同步，无需分发时钟信号，且未影响系统性能。
• 系统在多日运行中保持稳定，维护需求极低，证明了其在真实城市环境中的鲁棒性。
• 采用dWDM与自由运行SPAD探测器，实现了与现有电信基础设施的无缝集成。
• 结果证实，资源高效的QKD系统可快速、高效地部署于真实网络环境中。