과학자들이 1,000km의 양자 키 분배를 달성했습니다.

2023년 6월 13일

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중국 과학기술대학교

중국과학원(CAS) 산하 중국과기대(USTC) 과학자들이 1,002km 거리의 ​​점대점 장거리 양자 키 분포(QKD)를 달성했다. Tsinghua University, Jinan Institute of Quantum Technology, Shanghai Institute of Microsystem and Information Technology(SIMIT), CAS의 공동 작업자. 이 이정표는 비릴레이 QKD에 대한 새로운 세계 기록을 세울 뿐만 아니라 고속 도시 간 양자 통신을 위한 솔루션도 제공합니다. 결과는 5월 25일자 Physical Review Letters에 게재되었습니다.

QKD는 양자 역학의 원리를 기반으로 하며 두 원격 당사자 간의 안전한 키 배포를 가능하게 합니다. '원타임 패드' 암호화 방식과 결합하면 기밀 통신에 대해 최고 수준의 보안을 구현할 수 있다. 그러나 QKD의 거리는 채널 손실, 시스템 노이즈 등의 요인으로 인해 제한되었습니다.

SNS(전송 여부) 프로토콜을 사용하는 트윈 필드 QKD(TF-QKD)가 실험에서 시연되었으며, 키 속도와 채널 투과율 사이의 선형 θ에서 제곱근 θ까지의 관계가 개선되었습니다. 따라서 기존 QKD 프로토콜보다 훨씬 긴 보안 거리를 달성할 수 있습니다.

장거리 QKD를 달성하기 위해 연구팀은 YOFC(Yangtze Optical Fiber and Cable Joint Stock Limited Company)와 협력하여 순수 실리카 코어 기술을 기반으로 한 초저손실 광섬유를 사용하여 최대 감쇠량 0.16dB/km를 달성했습니다. SIMIT는 초저잡음 초전도 단일 광자 검출기를 개발했습니다.

열복사로 인한 암흑수를 억제하기 위해 40K와 2.2K의 온도에서 다중 필터를 구현함으로써 단일 광자 검출기의 노이즈가 약 0.02cps로 감소되었습니다. 또한 팀은 자발적인 라만 산란 잡음을 방지하기 위해 이중 대역 위상 추정 방식을 개발하여 시스템 잡음을 0.01Hz 미만으로 줄였습니다.

앞서 언급한 기술 개발을 바탕으로 팀은 1,002km의 기록적인 거리에서 0.0034bps의 핵심 속도로 TF-QKD를 달성했습니다. 이 작업은 매우 먼 거리에서 SNS-TF-QKD 체계의 타당성을 검증할 뿐만 아니라 이 프로토콜이 많은 실제 시나리오에서 높은 키 속도를 달성할 수 있음을 보여줍니다.

이 연구의 성공은 보안 양자 통신의 발전에 중요한 의미를 갖습니다. 장거리 양자 키 분배의 새로운 가능성을 열고 고속 도시 간 양자 통신 네트워크 실현의 길을 열어줍니다.

추가 정보: Yang Liu 외, 1000km 광섬유 거리에 대한 실험적 트윈 필드 양자 키 분포, 물리적 검토 서한(2023). DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.210801

저널 정보:실제 검토 편지

중국과학기술대학교 제공