既存のネットワークに量子鍵配送を統合する
新しい方法で、量子チャネルと古典チャネルが光ファイバーで安全に共存できるようになったよ。
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量子鍵配送（QKD）は、量子力学の原理を使って2つの当事者が安全に秘密鍵を共有できる技術だよ。この鍵を使って安全な通信ができるんだ。量子コンピュータが進化するにつれて、従来の暗号化方法が脆弱になるかもしれないから、QKDは理論的には安全な解決策を提供してる。ただ、実際の環境でQKDをうまく使うには、特に通常のデータトラフィックも流れる既存の光ファイバネットワークにおいて、慎重な計画が必要なんだ。
共存の課題
現在の通信システムのほとんどは古典的なデータチャネルを使ってるんだけど、同じ光ファイバーを共有するとQKDチャネルに干渉しちゃうことがあるんだ。主な問題の一つは、自発的ラマン散乱（SpRS）というノイズで、光信号がファイバー内で散乱して余分なノイズを生み出すことがある。このノイズはQKDシステムのパフォーマンスを妨げるんだ。
この問題を解決するために、研究者たちは量子チャネルと古典チャネルが同じファイバー内で共存できるようにいろんな方法を探ってる。一部の解決策は、QKDチャネルを異なる波長帯（例えばOバンド）に配置することだけど、この方法はファイバー損失が大きくて距離の制限がある、通常80 kmを超えないことが多い。他のアプローチでは古典チャネルの出力を減らすことも試みられてるけど、それだとパフォーマンスが落ちちゃうかもしれない。
タイムインターリービングの導入
有望な解決策の一つが、タイムインターリービングという技術だよ。この方法は、量子チャネルと古典チャネルが一緒に動作できるようにしつつ、それぞれのパフォーマンスを落とさないんだ。このアプローチでは、QKDパルスを古典データ信号の合間に配置することで、ノイズから干渉を避けることができるんだ。
この技術は、通信で一般的に使われるCバンドでデモされていて、QKD信号を古典データフレームの隙間に埋め込むことで、SpRSノイズから量子信号を効果的に隔離してる。
実験設定
タイムインターリービングの効果をテストするために、実験設定が作られたよ。それには、偏光エンコーディングデコイ状態BB84 QKDチャネルといくつかの古典データチャネルとの共伝播が含まれた。実験では特定の波長帯を使って、信号を管理するための強度変調器、偏光コントローラー、フィルターなどのツールを含んだ。
いくつかのファイバー長がテストされた：20 km、50 km、100 km。古典チャネルは異なる速度で動作し、10 Gb/sのオンオフキーイングか、より速い100 Gb/sの位相シフトキーイングを使用してた。目的は、これらの異なる条件下でQKDシステムがどれだけうまく機能するかを見ることだった。
実験の結果
実験結果は、高出力古典チャネルの存在下でもQKDシステムのパフォーマンスが強いままだったことを示したよ。例えば、20 kmのファイバーでは、QKDチャネルが量子ビット誤り率（QBER）として知られる低いエラー率を維持しながら、安全鍵生成速度（SKR）を達成した。ファイバーの長さが50 km、そして100 kmに増えるとQBERは少し上がったけど、管理可能だったんだ。
SpRSノイズのレベルも注意深く監視され、隙間内でノイズカウントが低く保たれ、QKD操作が効果的に行えたことがわかった。量子チャネルと一緒に最大8つの古典チャネルを使用したシナリオでも、タイムインターリービング技術は引き続き有望で、QBERを許容範囲内に保ってたよ。
分散ウォークオフ
チャネルのパフォーマンスに影響を与える重要な要素の一つが、分散ウォークオフという現象だよ。これは、異なる波長の光が光ファイバー内で異なる速度で進むために起こるんだ。その結果、古典チャネルが生成するノイズがQKDパルスと同期せずに量子検出器に到達することがあるんだ。
実験では、研究者たちはこの分散が古典データ信号の間の時間的隙間にどのように影響するかを観察した。ファイバーの距離が長くなるほど、隙間が縮まっていき、ノイズがQKD信号に干渉する可能性が増えていく。しかし、波長の点で量子チャネルに近い古典チャネルを慎重に選ぶことで、分散の影響を最小限に抑えられたよ。
結論
タイムインターリービング技術は、QKDを既存の通信インフラに統合するためのしっかりした解決策を提供してる。量子信号が古典データフレームと交互に入ることで、SpRSノイズが効果的に管理されて、安全な通信をパフォーマンスを損なうことなく実現できるんだ。
100 kmまでの距離での成功したテストを経て、この方法はQKDが従来のデータチャネルと一緒に実世界の環境で動作できることを示してる。これらの発見は、チャネルの選択の重要性と、古典チャネルにおける高い発射出力の可能性を強調してる、すべてはQBERを低く保ちながら、許容可能なSKRを維持する形でね。
安全な通信の需要が高まる中、特に量子コンピュータの進展を考えると、既存のネットワークにQKDを統合することが重要になってくる。この研究は、今後の展開のために単一光子検出器のパフォーマンスを向上させる必要性を強調してる。最終的には、より安全な通信を提供するために、現代のテレコムネットワークでの量子暗号の実用的な応用への道を築いてるんだ。
タイトル: Time-Interleaved C-band Co-Propagation of Quantum and Classical Channels
概要: A successful commercial deployment of quantum key distribution (QKD) technologies requires integrating QKD links into existing fibers and sharing the same fiber networks with classical data traffic. To mitigate the spontaneous Raman scattering (SpRS) noise from classical data channels, several quantum/classical coexistence strategies have been developed. O-band solutions place the QKD channel in the O-band for lower SpRS noise but with the penalty of higher fiber loss and can rarely reach beyond 80 km of fiber; another method is C-band coexistence with attenuated classical channels, which sacrifices the performance of classical channels for lower SpRS noise. In this work, a time-interleaving technique is demonstrated to enable the co-propagation of quantum and classical channels in the C-band without sacrificing either performance. By embedding QKD pulses in the gaps between classical data frames, the quantum channel is isolated from SpRS noise in both wavelength and time domains. C-band co-propagation of a polarization-encoding decoy-state BB84 QKD channel with a 100 Gb/s QPSK channel is experimentally demonstrated with quantum bit error rate (QBER) of 1.12%, 2.04%, and 3.81% and secure key rates (SKR) of 39.5 kb/s, 6.35 kb/s, and 128 b/s over 20, 50, and 100 km fibers, respectively. These results were achieved with the presence of classical launch power up to 10 dBm, which is at least one order of magnitude higher than reported works. We also demonstrated the co-propagation of a QKD channel with eight classical channels with total launch power up to 18-dBm (9-dBm per channel), which is the highest power of classical channels reported in C-band coexistence works.
著者: Jing Wang, Brian J. Rollick, Bernardo A. Huberman
最終更新: 2023-10-10 00:00:00
言語: English
ソースURL: https://arxiv.org/abs/2304.13828
ソースPDF: https://arxiv.org/pdf/2304.13828
ライセンス: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
変更点: この要約はAIの助けを借りて作成されており、不正確な場合があります。正確な情報については、ここにリンクされている元のソース文書を参照してください。
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