[论文解读] Surpassing the rate-transmittance linear bound of quantum key distribution

Xiaotian Fang, Pei Zeng+18 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2019

Quantum Information and Cryptography参考文献 20被引用 31

一句话总结

本文通过激光注入与相位后补偿的相位匹配量子密钥分发（PM-QKD），在实验中实现了超越线性密钥率-透射率界限的突破。该方案在502公里超低损耗光纤上实现了0.118 bps的密钥率，相比以往工作，其密钥率超越O(η)极限超过四个数量级。

ABSTRACT

Quantum key distribution (QKD offers a long-term solution to establish information-theoretically secure keys between two distant users. In practice, with a careful characterization of quantum sources and the decoy-state method, measure-device-independent quantum key distribution (MDI-QKD) provides secure key distribution. While short-distance fibre-based QKD has already been available for real-life implementation, the bottleneck of practical QKD lies on the limited transmission distance. Due to photon losses in transmission, it was believed that the key generation rate is bounded by a linear function of the channel transmittance, $O(η)$, without a quantum repeater, which puts an upper bound on the maximal secure transmission distance. Interestingly, a new phase-encoding MDI-QKD scheme, named twin-field QKD, has been suggested to beat the linear bound, while another variant, named phase-matching quantum key distribution (PM-QKD), has been proven to have a quadratic key-rate improvement, $O(\sqrtη)$. In reality, however, the intrinsic optical mode mismatch of independent lasers, accompanied by phase fluctuation and drift, impedes the successful experimental implementation of the new schemes. Here, we solve this problem with the assistance of the laser injection technique and the phase post-compensation method. In the experiment, the key rate surpasses the linear key-rate bound via 302 km and 402 km commercial-fibre channels, achieving a key rate over 4 orders of magnitude higher than the existing results in literature. Furthermore, with a 502 km ultralow-loss fibre, our system yields a secret key rate of 0.118 bps. We expect this new type of QKD schemes to become a new standard for future QKD.

研究动机与目标

• 为克服实际量子密钥分发（QKD）系统中根本的O(η)线性密钥率-透射率界限。
• 解决独立激光源在PM-QKD方案中因相位不稳定与模式失配带来的实验挑战。
• 利用相位匹配技术实现超越传统MDI-QKD极限的长距离、高密钥率保密密钥生成。
• 验证PM-QKD作为可扩展、安全且高性能的未来量子通信网络标准的可行性。

提出的方法

• 采用激光注入锁定技术，同步Alice与Bob所用独立激光的相位，最大限度减少相位漂移与模式失配。
• 实施相位后补偿方法，校正传输后残留的相位波动，确保Charlie节点处稳定干涉。
• 采用D=16个离散相位窗口的相位切片编码方案，将密钥信息编码于相干态上。
• 应用诱骗态方法估算单光子贡献，增强在光子数分裂攻击下的安全性。
• 在302公里与402公里商用光纤以及502公里超低损耗光纤上开展实验，控制相位与光强设置，测量探测率与密钥生成性能。
• 采用对称的MDI-QKD架构，Charlie对Alice与Bob的脉冲进行联合测量，以检测相位差异。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在实际光纤信道中，通过相位匹配技术在实验上突破QKD中的O(η)密钥率-透射率界限？
• RQ2 如何缓解独立激光源中的相位不稳定与模式失配，以实现长距离PM-QKD？
• RQ3 在实际相位补偿条件下，使用相位匹配QKD在500公里光纤上的可实现保密密钥率是多少？
• RQ4 所提出的方案能否在真实光纤环境中维持超越传统MDI-QKD极限的高密钥率？
• RQ5 在激光注入的PM-QKD中，传输距离、密钥率与系统稳定性之间的性能权衡如何？

主要发现

• 系统在502公里超低损耗光纤上实现了0.118 bps的保密密钥率，相比以往结果密钥率提升超过四个数量级。
• 在302公里与402公里商用光纤上，密钥率均超越O(η)线性界限，证实了理论预测的二次方提升。
• 激光注入与相位后补偿使长距离下实现稳定干涉成为可能，克服了以往阻碍实验PM-QKD的相位漂移与模式失配问题。
• 实验数据显示16个相位切片的探测率保持一致，干涉条纹可见度高，验证了相位切片编码与测量方案的有效性。
• 系统在透射率低于10^-6的条件下仍能维持安全密钥生成，证实了在真实损耗条件下实现长距离QKD的可行性。
• 结果表明PM-QKD可实现O(√η)密钥率标度，实际性能显著优于传统MDI-QKD的O(η)标度。