증거

npj Quantum Information 7권, 기사 번호: 8(2021) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

트윈 필드(TF) 양자 키 분배(QKD)는 양자 중계기 없이 지점 간 QKD에 대한 비밀 키 속도의 근본적인 한계를 극복할 수 있기 때문에 매우 매력적입니다. 많은 이론 및 실험 연구에서 장거리 통신에서 TFQKD의 우수성이 입증되었습니다. TFQKD의 모든 이전 실험 구현은 대칭 손실이 있는 광 채널을 통해 수행되었습니다. 그러나 실제로는 특히 네트워크 환경에서 사용자와 중간 노드 사이의 거리가 매우 다를 수 있습니다. 본 논문에서는 비대칭 손실이 있는 광 채널을 통해 TFQKD의 원리 증명 실험 시연을 수행합니다. (1) 비대칭 신호 강도를 적용하고 (2) 추가 손실을 추가하는 두 가지 보상 전략을 비교하고 전략 (1)이 훨씬 더 나은 키 속도를 제공하는지 확인합니다. 게다가 손실이 높을수록 더 많은 키레이트 향상을 달성할 수 있습니다. 비대칭 신호 강도를 적용함으로써 비대칭 채널 손실이 있는 TFQKD는 전체 손실 50dB에 대해 점대점 QKD의 키 속도의 기본 한계를 초과할 뿐만 아니라 전체 손실 56dB에 대해 키 속도가 2.918 × 10-6만큼 높습니다. 손실. 반면 56dB 손실에 대한 전략 (2)에서는 키를 얻을 수 없습니다. 비대칭 채널 손실이 있는 TFQKD의 증가된 키 속도와 확대된 거리 범위는 장거리 양자 네트워크에서 우월성을 보장합니다.

QKD(양자 키 배포)를 통해 원격 사용자는 정보 이론 보안1,2을 통해 비밀 키를 공유할 수 있습니다. 그러나, 광채널의 불가피한 손실로 인해 장거리 QKD에서 달성 가능한 비밀키율에는 근본적인 한계가 존재한다. 양자 중계기를 사용하지 않으면 QKD의 비밀 키 속도의 상한(이 문서에서는 무반복 경계라고도 함)이 채널 투과율 θ3,4에 따라 선형적으로 확장됩니다. 놀랍게도, TF(twin-field) QKD라고 불리는 새로운 유형의 QKD가 제안되었으며5 실제로 중계기 없는 한계를 극복할 수 있습니다. MDI(Measurement-Device-Independent) QKD6과 마찬가지로 TFQKD에서는 두 명의 사용자(Alice와 Bob)가 신뢰할 수 없는 중간 노드, 즉 측정을 수행하는 Charlie에게 두 개의 일관된 상태를 보냅니다. TFQKD는 MDIQKD에서 2광자 간섭이 아닌 단일 광자 간섭을 사용하기 때문에 TFQKD의 비밀 키 속도는 \(\sqrt{\eta }\)로 확장되어 전례 없는 거리 적용 범위를 허용합니다. TFQKD7,8,9,10,11,12의 다양한 변형과 ​​보안 분석이 연구된 후 여러 실험적 시연13,14,15,16이 이어졌습니다. 최근에는 TFQKD가 500km 이상의 광섬유에 걸쳐 성공적으로 구현되었습니다17,18. TFQKD는 장거리 QKD에 대한 가장 유망하고 실용적인 솔루션 중 하나인 것으로 나타났습니다.

그러나 위에서 언급한 모든 연구에서는 각 사용자와 중간 노드 사이에 손실이 대칭인 광 채널을 통한 TFQKD만 고려하고 Alice와 Bob은 신호를 준비할 때 동일한 작업 집합을 사용하도록 합니다. 그러나 채널 대칭에 대한 이러한 가정은 실제로 거의 적용되지 않습니다. 비대칭 채널을 통한 TFQKD는 실용적인 지점 간 구현뿐만 아니라 사용자와 중간 노드 간의 광학 거리가 크게 다를 수 있는 네트워크 설정에서도 중요합니다. 예를 들어 그림 1에서 볼 수 있듯이 Sagnac 루프 설정을 고려하면 여러 사용자가 공통 릴레이를 공유하는 동일한 루프에 배치되어 TFQKD 네트워크를 구현할 수 있습니다. 그러나 루프의 사용자는 자연스럽게 릴레이까지의 거리가 다르므로 비대칭 채널이 TFQKD 네트워크 설정의 주요 특징이 됩니다. 사용자가 중앙 릴레이에서 임의의 거리에 떨어져 있는 별 모양 네트워크에도 비슷한 문제가 있습니다.

여러 사용자를 동일한 루프에 배치하여 단일 릴레이를 통해 통신할 수 있습니다. 여기서 볼 수 있듯이 임의의 사용자 쌍은 릴레이로부터 매우 다른 거리(채널 손실)를 가질 수 있으므로 채널 비대칭이 있는 경우에도 우수한 성능을 유지하는 TFQKD 프로토콜이 필요합니다. 이 연구에서는 비대칭 채널을 통해 높은 속도를 유지하는 비대칭 강도 TFQKD 프로토콜의 실험적 구현을 ​​제시하여 Sagnac 루프 기반 TFQKD 네트워크의 타당성을 보여줍니다.