[论文解读] The ideal wavelength for daylight free-space quantum key distribution

Mostafa Abasifard, Chanaprom Cholsuk+6 more|arXiv (Cornell University)|Mar 3, 2023

Quantum Information and Cryptography参考文献 60被引用 6

一句话总结

本文識別出656 nm（Hα譜線）為日間衛星式自由空間量子密鑰分發的最佳波長，示範其可實現超過C波段光源十倍以上的年秘密密鑰長度。該方法利用基於六方氮化硼中色心的可調諧單光子源，耦合至微腔，透過光譜反饋鎖定至譜線，進而實現日間高可見度、低背景的量子通訊。

ABSTRACT

Quantum key distribution (QKD) has matured in recent years from laboratory proof-of-principle demonstrations to commercially available systems. One of the major bottlenecks is the limited communication distance in fiber networks due to the exponential signal damping. To bridge intercontinental distances, low Earth orbit satellites transmitting the quantum signals over the atmosphere can be used. These free-space links, however, can only operate during the night, as the sunlight otherwise saturates the detectors used to measure the quantum states. For applying QKD in a global quantum internet with continuous availability and high data rates, operation during daylight is required. In this work, we model a satellite-to-ground quantum channel for different quantum light sources to identify the optimal wavelength for free-space QKD in ambient conditions. Daylight quantum communication is possible within the Fraunhofer lines or in the near-infrared spectrum, where the intrinsic background from the sun is comparably low. The highest annual secret key length considering the finite key effect is achievable at the H extalpha\ Fraunhofer line. More importantly, we provide the full model that can be adapted in general to any other specific link scenario. We also propose a true single-photon source based on a color center in hexagonal boron nitride coupled to a microresonator that can implement such a scheme. Our results can also be applied in roof-to-roof scenarios and are therefore relevant for near-future quantum networks.

研究动机与目标

• 確定日間自由空間QKD的最佳波長，因太陽背景噪音限制性能。
• 評估有限密鑰效應與實際元件限制對不同波長下秘密密鑰速率的影響。
• 設計可在譜線波長下運作的實用單光子源，以實現穩健的日間量子通訊。
• 克服目前僅限於夜間運作的衛星QKD限制，實現連續、高數據速率的量子密鑰分發。
• 提供可廣泛應用的模型，適用於衛星至地面及地面至地面的量子鏈路場景。

提出的方法

• 使用實際發射器、接收器與大氣條件參數，建立衛星至地面的量子通道模型。
• 在有限密鑰效應與背景噪音下，模擬多個波長（包括譜線與電信波段）的秘密密鑰速率。
• 設計基於六方氮化硼（hBN）中色心的單光子源，嵌入可調微腔，以實現窄譜線發射。
• 利用參考氣體池實施反饋鎖定機制，透過偵測最大吸收來調節腔共振，使其與譜線匹配。
• 使用市售元件（包括SPAD與SNSPD）在不同波長範圍內評估性能。
• 應用光譜、空間與時間濾波技術，抑制太陽背景噪音，同時保留量子信號完整性。

实验结果

研究问题

• RQ1 太陽光譜中哪個波長能最小化背景噪音並最大化日間自由空間QKD的秘密密鑰速率？
• RQ2 能否設計出實用的單光子源，使其精確發射於譜線波長，並具備足夠的穩定性與亮度？
• RQ3 有限密鑰效應如何影響不同波長下的秘密密鑰速率，特別是在日間條件下？
• RQ4 當考慮所有系統層面因素（探測器效率、光束擴散、背景噪音）時，可見光波段QKD是否比近紅外QKD更有效率？
• RQ5 基於hBN的固態單光子源能否透過譜線鎖定技術，適用於太空基量子通訊？

主要发现

• 656.448 nm處的Hα譜線因具有廣泛的吸收特徵與低太陽背景，可產生最高的年秘密密鑰長度。
• 基於hBN中P_N V_B缺陷的實用單光子源，透過與微腔耦合，並利用參考氣體池的反饋迴路，可成功鎖定至Hα譜線。
• 所提出的方案即使在探測器效率較低的情況下，仍可實現超過C波段光源（1550 nm）十倍以上的年秘密密鑰長度。
• 當綜合考慮背景噪音、探測器效率、光束擴散與系統成本等因素時，可見光波段QKD在秘密密鑰速率上優於近紅外QKD。
• 該模型具備通用性，可適應於地面至地面的量子鏈路，實現連續、高數據速率的量子通訊。
• 現有先進的單光子源已足夠在日間條件下超越雙闊態協議的性能。