[论文解读] Underwater Quantum Key Distribution in Outdoor Conditions with Twisted Photons

Frédéric Bouchard, Alicia Sit+9 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 29被引用 8

一句话总结

本研究在户外条件下实现了使用扭曲光子（轨道角动量态）的水下量子密钥分发，通过3米湍流水路，在2维和3维BB84协议下实现了正的保密密钥速率。湍流引起的光束畸变，主要为散光，导致量子误码率（QBER）升高，使4维协议无法实现保密密钥速率，但自适应光学技术可校正像差，实现更高维的安全通信。

ABSTRACT

Quantum communication has been successfully implemented in optical fibres and through free-space [1-3]. Fibre systems, though capable of fast key rates and low quantum bit error rates (QBERs), are impractical in communicating with destinations without an established fibre link [4]. Free-space quantum channels can overcome such limitations and reach long distances with the advent of satellite-to-ground links [5-8]. Shorter line-of-sight free-space links have also been realized for intra-city conditions [2, 9]. However, turbulence, resulting from local fluctuations in refractive index, becomes a major challenge by adding errors and losses [10]. Recently, an interest in investigating the possibility of underwater quantum channels has arisen, which could provide global secure communication channels among submersibles and boats [11-13]. Here, we investigate the effect of turbulence on an underwater quantum channel using twisted photons in outdoor conditions. We study the effect of turbulence on transmitted QBERs, and compare different QKD protocols in an underwater quantum channel showing the feasibility of high-dimensional encoding schemes. Our work may open the way for secure high-dimensional quantum communication between submersibles, and provides important input for potential submersibles-to-satellite quantum communication.

研究动机与目标

• 研究在湍流水下信道中使用轨道角动量（OAM）态进行高维量子密钥分发（QKD）的可行性。
• 表征户外水体湍流对OAM模态传播及量子误码率（QBER）的影响。
• 在真实水下条件下，比较不同QKD协议（2D、3D、4D BB84）的性能。
• 评估未来利用OAM编码光子在自然水体环境中实现水下航行器至卫星量子通信的潜力。
• 评估自适应光学在纠正水下QKD系统中湍流引起的像差方面的可行性。

提出的方法

• 使用波长为635 nm的高斯光束通过3米户外游泳池，利用短曝光CCD图像表征湍流。
• 应用Gerchberg-Saxton算法（GSA）从强度图像中重构光束相位分布，实现相位恢复。
• 将重构的相位分解为泽尼克多项式，以量化像差（如散光和离焦）。
• 采用波长为710 nm的后脉冲单光子源，通过ppKTP晶体中的自发参量下转换产生，辅助光子波长为943 nm以实现后脉冲标记。
• 在爱丽丝端使用空间光调制器（SLM）制备OAM态（ℓ = 0, ±1, ±2），在鲍勃端通过模态分离装置进行测量。
• 使用5 ns时间窗口的符合检测验证纠缠光子对，并为每个OAM维度计算QBER。

实验结果

研究问题

• RQ1 水体湍流如何影响户外水下信道中OAM编码光子的传输？
• RQ2 在湍流水下链路中，使用扭曲光子的2D、3D和4D BB84协议可实现的最大保密密钥速率是多少？
• RQ3 由湍流引起的像差（如散光）在多大程度上降低OAM态的保真度并增加QBER？
• RQ4 自适应光学系统能否缓解湍流影响，实现在水下环境中安全的高维QKD？
• RQ5 在真实户外条件下，不同OAM基QKD协议的QBER如何比较？

主要发现

• 2维BB84协议实现了每光子0.185比特的保密密钥速率，高于3维协议。
• 3维BB84协议产生了每光子0.175比特的保密密钥速率，略低于2维情况。
• 4维BB84协议的QBER达到20.1%，超过18.93%的误码阈值，因此无法实现安全密钥分发。
• 湍流引起的光束畸变，尤其是散光，是主要像差，导致高阶OAM态之间串扰增加。
• 湍流频率约为数十Hz，表明可通过使用SLM的自适应光学系统实现实时校正。
• 本研究证实，在当前湍流水平下，OAM基QKD在户外水下环境中是可行的，但仅限于最高3维编码。