高速衛星ベース量子通信に向けた堅牢な10 GHz偏光変調

Belangrijkste concepten

本稿では、ニオブ酸リチウム変調器の非相反性を利用することで、衛星ベースの量子鍵配送における高速かつ堅牢な偏光変調を実現する新しいスキームを提案しています。このスキームは、従来の手法と比較して、高いシステム繰り返し周波数（10 GHz）を達成しながらも、低い量子ビット誤り率（QBER）と高い堅牢性を維持できることが特徴です。

Samenvatting

10 GHzの堅牢な偏光変調による高速衛星ベース量子通信

はじめに

量子鍵配送（QKD）は、量子力学の法則に基づいて離れた通信当事者間で情報理論的に安全な鍵を提供します。グローバルな量子ネットワークの実装において、衛星ベースの偏光符号化QKDは、自由空間での光子損失とデコヒーレンスが無視できるため、光ファイバーソリューションよりも優れています。しかし、その安全な鍵レート（SKR）の向上は、光子層における3つの課題、すなわち光子の生成、準備、検出に直面しています。高繰り返しレートの光子の生成は、光源の開発により容易になりました。衛星-地上間通信では、チャネル損失により受信機に到達する光子数が大幅に減少します。したがって、検出器の効率はまだ影響しますが、もはや鍵生成レートを制限する主な障害ではありません。一方、衛星内の複雑な環境の影響と限られた負荷のため、光子準備の速度と堅牢性がSKR向上のボトルネックとなっています。

従来技術の課題

現在利用可能なスキームでは、高速偏光変調で堅牢性と低い量子ビット誤り率（QBER）を保証することができません。従来の研究では、インライン位相変調器[3]またはマッハツェンダー干渉計[4]を使用するセットアップが採用されていました。2020年には、5 GHzの繰り返し周波数を持つ実験が報告されました[5]。しかし、この方法では、より高い変調速度を得る際に、深刻な偏光モード分散（PMD）や最大7 Vの半波長電圧など、より多くの欠点があります。さらに、その光路は環境の影響を受けやすいという欠点もあります。この問題を解決するために、サニャック[6]またはファラデー-マイケルソン干渉計[7]に基づくスキームが実行されます。これらの自己補償光学系は、優れたシステムの堅牢性と低いQBER変調を実現できます[8]。しかし、位相変調器（PM）では、電気信号と反対方向に伝搬する光パルスとの間に相互作用があります。この逆変調の影響を避けるためには、順方向パルスのみが変調されるようにする必要があります。市販の部品を使用する場合、変調速度のしきい値は2.27 GHzです[9]。導波路の長さを短縮することで、この速度を向上させることができます。しかし、この方法では電気駆動が非常に困難になり、カスタム位相変調器を使用すると全体的なコストも増加します。

提案手法

本稿では、ニオブ酸リチウム（LiNbO3）変調器の非相反特性を利用することで、変調器内の電気信号と逆光パルスとの間の深刻な相互作用を排除します。したがって、変調速度は光路によって制限されなくなり、システムは自己補償光学系の高い堅牢性を維持します。これにより、市販の部品のみを使用して2.27 GHzのしきい値を突破することができます。さらに重要なことに、非相反性は無線周波数（RF）帯域で広く見られるため、システム繰り返し周波数を向上させるには、繰り返しレートの高い超短パルスレーザーと適切な回路を使用して変調を実行するだけで済みます。このシステム繰り返し周波数の増加は、高いSKRに直接対応します。測定された異なる偏光状態の平均固有量子ビット誤り率は、補償なしで10 GHzのシステム繰り返し周波数で10分以上にわたって0.53%と低くなっています。シミュレーション結果は、提案されたスキームが同じ距離条件下でより高いSKRを達成し、伝送距離を350 km以上に拡張することを証明しています。衛星ベースの量子通信に堅牢で低誤り、高速な偏光変調を提供する私たちの仕事は、長距離にわたって高レベルの通信セキュリティを維持することができます。

実験結果

本稿では、図5に示すセットアップに基づいて実験を行い、4つの準備された偏光状態の偏光消光比（PER）とQBERを評価しました。システムの光源は、我々の研究室で開発された光周波数コムレーザーです。10 GHzの繰り返しレートを持つレーザーが出力する光パルスは、スペクトル整形と分散補償のために波形整形器を使用した後、約2.16 psの半値全幅（FWHM）を達成することができます。超短パルス光源の適用は、我々の提案するスキームに必要です。パルス幅がシステム性能に与える影響については、次のセクションで説明します。

準備ユニット内のPM以外のコンポーネントは、3ポートデバイスに統合されています。最初のポートはコリメータの入力に対応し、レーザーによって生成されたパルスを受信します。2番目のポートは、45度PBSの2つの偏光保持ファイバーテールに対応しており、順方向と逆方向にPM（Eospace、PM-5V4-40-PFU-PFU-UV）に接続されています。10 GHzの正弦波を生成するために、アナログ信号発生器（Keysight、EXG N5173B）を使用します。信号発生器は、10 MHzのクロックを介してレーザーと同期しています。最適な変調を実現するために、位相シフタを使用して電気信号の位相を変更し（遅延の調整に相当）、電気信号と光パルスのピークが時間的に一致するようにします。電気信号は、増幅器によって増幅されて4つの必要な偏光状態に必要な電圧に達した後、PMにロードされます。3番目のポートは、準備された偏光状態を自由空間に出力します。

さらに、検出ユニットを3ポートデバイスに統合しました。最初のポートは準備ユニットからの偏光光を受信し、2番目と3番目のポートの4つの出力は、可変光減衰器によって等しい損失を受けた後、単一光子レベルまで減衰します。次に、偏光コントローラを調整して、超伝導ナノワイヤ単一光子検出器によって準備された偏光状態を効果的に受信しました。チャネルによって収集された検出信号は、時間相関単一光子計数デバイス（Swedish instruments、Time Tagger Ultra）にフィードバックされます。その後、データはコンピュータによって処理され、QBERが得られます。

まず、古典的な光学的方法を用いて、準備された偏光状態の性能を評価しました。自由空間偏光アナライザ（Thorlabs、PAX 1000）を用いて、準備ユニットの出力を分析しました。偏光アナライザは、正規化されたストークスパラメータを記録し、ポアンカレ球上にプロットします。偏光消光比が18.24 dBの偏光状態もマークされています。これは、約1.5%のQBERに相当します。図5は、補償なしで1時間25分にわたって、4つの偏光状態すべてのPERが18.24 dB（1.5% QBER未満）を超えていることを示しています。

次に、図5に示すセットアップに従って、単一光子レベルのテストを実施しました。準備ユニットは、各測定サイクル中に固定偏光状態の光パルスを生成し、検出ユニットに連続的に送信します。偏光変調スキームによって準備された各偏光状態の純度と堅牢性を特徴付けるために、固有量子ビット誤り率（IQBER）を有効性を測定するためのコア指標として使用します。IQBERは次のように定義されます。IQBER = (C⊥B - D⊥B) / [C⊥B - D⊥B + CA - DA]。ここで、CAは準備ターゲットとしての偏光状態の光子カウント、DAは対応するダークカウント、C⊥Bは準備された偏光状態に直交する偏光状態の光子カウント、D⊥Bは対応するダークカウントです[7]。スキームによって変調された偏光状態の特徴付けは、IQBERを測定することによって達成されます。これは、提案されたスキームがBB84プロトコルに必要な偏光状態を生成できることを示しています。

図7は、各偏光状態の結果を示しています（10分間の時間枠にわたって1秒間の測定を繰り返しました）。変調電圧とシステムの平均IQBERの間には正の相関関係があります。生成された偏光状態|H⟩は、変調電圧が印加されていない場合、最も安定しており、平均IQBERは0.046%と最も低くなっています。対応する状態|L⟩と|R⟩の平均IQBERは、印加される変調電圧がVπ/2と-Vπ/2の場合、それぞれ0.656%と0.617%に増加します。変調電圧はVπまで増加し続けます。より多くの位相ノイズが導入されます。状態|V⟩の平均IQBERは0.798%です。さらに、3Vπ/2の変調電圧で偏光状態をテストしました。対応する平均IQBERは、変調電圧も最も高い場合、0.959%と最も高くなります。この劣化には2つの理由があります。振幅の変動は変調電圧が高くなるにつれて大きくなるため、より多くの位相ノイズが導入されます。さらに、RF正弦波を使用すると、変調電圧が高くなるにつれて電気信号がより不均一になります。これもIQBERの劣化の原因となります。全体として、測定された異なる偏光状態の平均固有量子ビット誤り率は、補償なしで10分以上にわたって0.53%です。

考察

従来のスキームと比較して、堅牢で低誤り、高速な偏光変調を実現しました。この改善をサポートするために、2つの大きな変更が加えられました。パルス幅の狭い光パルスと、方形波の代わりにRF正弦波を使用することです。ここでは、システムが低誤り偏光変調を実現できるかどうかを評価するために、しきい値（PER = 18.24 dB、QBER = 1.5%に相当）を引き続き使用します。これらの変更がシステム性能に与える影響について説明します。提案されたスキームは、衛星ベースの量子通信の性能を大幅に向上させる可能性を示すためにシミュレートされています。

実験セットアップでは超短パルス光源を使用しており、パルス幅は従来のスキームと比較して1〜3桁減少しています。この変更は、低誤り、高速変調を実現するために必要です。図8に示すように、光パルスのピークも電気信号のピーク電圧V0によって変調されます。電気信号のエンベロープは正弦波であるため、ピークは方形波のように平坦ではありません。光パルスの光子は、異なる変調電圧に対応しています。たとえば、FWHMの半分にある光子は、V0-ΔVの変調電圧を持っています。理想的な変調電圧と実際の変調電圧の差ΔVは、直接位相ノイズを導入するため、システムのPERを悪化させます。

デューティサイクル（光パルスと電気信号のFWHMの比率を表す）を使用して一般的な結論に達し、シミュレーションを実施しました。図8は、デューティサイクルが増加するにつれて、システムのPERが徐々に劣化することを示しています。デューティサイクルが6.48%（実験で使用したパルス幅2.16 psの光パルスと10 GHzの正弦波に対応）の場合、ΔV1 = 0.0023V0です。デューティサイクルが33.8%の場合、ΔV2 = 0.062V0です。デューティサイクルが33.8%を超えると、PERはしきい値を下回ります。これは、変調誤りにおけるパフォーマンスの低下を表しています。したがって、より広いパルス幅はより高いデューティサイクルを意味し、これは、電気信号の形状が実際のQKDシステムで一定である場合、PERの悪化につながります。

同期は、実用的なQKDシステムの開発における重要なステップです。このステップは、システムのコンポーネント間の内部同期と、送信機（アリス）と受信機（ボブ）間の外部同期の2つの部分で構成されます。本稿では、内部同期の影響に焦点を当てています。10 MHzのクロックを使用して、信号発生器やレーザーなど、システム内のデバイスを同期させています。光パルスと電気信号のピークが時間的に一致するため、変調誤差が最小限に抑えられます。ただし、実際のシステムでは、電気デバイスの長時間動作中に蓄積された熱ノイズによる位相ドリフトや、光パルス繰り返しレートのジッターにより、電気信号のピークと超短光パルスが分離されます。従来のスキームでは、同期不良によるジッターに対する耐性が比較的

結論

本稿では、RF帯域におけるLiNbO3変調器の非相反性を利用することで、自己補償光学系に存在する強い逆変調を排除し、堅牢で低誤り、高速な偏光変調を実現しました。提案するエンコーダは、システムの繰り返し周波数が光学構造によって制限されなくなる一方で、高い堅牢性を維持します。市販されているすべてのコンポーネントで構築することができ、高い半波長電圧などの欠点も生じません。測定された異なる偏光状態の平均固有量子ビット誤り率は、10 GHzのシステム繰り返し周波数で、補償なしで10分以上にわたって0.53%です。シミュレーション結果は、提案されたスキームが同じ距離条件下でより高いSKRを達成し、伝送距離を350 km以上に拡張することを証明しています。この研究は、安全で信頼性の高い衛星ベースの通信技術の開発に不可欠な、高い安全な鍵レートで長距離通信を維持することができます。

Statistieken

測定された異なる偏光状態の平均固有量子ビット誤り率は、補償なしで10 GHzのシステム繰り返し周波数で10分以上にわたって0.53%です。
提案されたスキームは、同じ距離条件下でより高いSKRを達成し、伝送距離を350 km以上に拡張します。
デューティサイクルが6.48%の場合、ΔV1 = 0.0023V0です。
デューティサイクルが33.8%の場合、ΔV2 = 0.062V0です。
光パルスと電気信号の遅延は、PERが設定したしきい値よりも高くなるように、デューティサイクルが十分に小さくなるように、4.25 ps以内である必要があります。

Citaten

"The measured average intrinsic quantum bit error rate of the different polarization states is as low as 0.53% over 10 min at the system repetition frequency of 10 GHz without any compensation."
"The simulation results prove that the proposed scheme achieves a higher SKR under the same distance condition and extends the transmission distance to more than 350 km."

Belangrijkste Inzichten Gedestilleerd Uit

10 GHz Robust polarization modulation towards high-speed satellite-based quantum communication

by Zexu Wang, H... om arxiv.org 11-14-2024

https://arxiv.org/pdf/2411.08358.pdf

Diepere vragen

量子コンピューティング技術の進歩は、この偏光変調スキームの安全性をどのように脅かす可能性がありますか？

量子コンピューティング技術の進歩は、従来の暗号アルゴリズムの安全性を脅かす可能性があり、この偏光変調スキームも例外ではありません。このスキームは、BB84プロトコルに基づいており、その安全性は光子の量子力学的性質、特に偏光状態の重ね合わせと測定の不確定性原理に依存しています。
現時点では、このスキームは、盗聴者が測定できる情報量を制限することで安全性を確保しています。しかし、将来的に、十分に強力な量子コンピュータが出現した場合、偏光状態の重ね合わせを崩壊させずに測定する、あるいは鍵配送プロセス中に送信された情報を記録して後から解読するといったことが可能になるかもしれません。
具体的には、以下のような脅威が考えられます。

Shorのアルゴリズム: Shorのアルゴリズムを用いることで、量子コンピュータは現在のQKDシステムで使用されている公開鍵暗号アルゴリズムを解読できる可能性があります。これは、鍵交換の段階で脆弱性を生み出す可能性があります。
量子メモリ: 量子メモリ技術が進歩すると、盗聴者は光子を長時間保持し、後からより高度な技術で解読できるようになる可能性があります。
量子複製不可能定理の抜け穴: 量子複製不可能定理は、未知の量子状態を完全に複製することを禁じていますが、将来的にはこの定理の抜け穴が見つかり、盗聴に利用される可能性があります。
これらの脅威に対抗するために、量子コンピュータ耐性を持つ次世代のQKD技術の開発が重要となります。例えば、量子鍵配送ネットワーク、デバイス非依存型QKD、高次元QKDなどの研究が進められています。

このような高速な量子鍵配送システムの開発は、日常生活における量子通信技術の普及をどのように促進するのでしょうか？

高速な量子鍵配送システムの開発は、日常生活における量子通信技術の普及を大きく促進する可能性があります。
まず、高速化は、実用的な量子通信の実現に不可欠です。現在の量子鍵配送システムは、速度が遅いため、限られた用途にしか利用できません。しかし、10GHzといった高速なシステムが実現すれば、より多くのデータ量を安全に送信できるようになり、動画ストリーミングやクラウドコンピューティングなど、リアルタイム性を求められるアプリケーションにも利用できるようになります。
また、高速な量子鍵配送システムは、量子通信ネットワークの構築を促進します。量子鍵配送ネットワークは、複数のユーザーが安全に通信できるネットワークであり、量子インターネットの実現に向けた重要なステップとなります。高速なシステムは、ネットワークのノード間で効率的に鍵を共有することを可能にし、大規模で実用的な量子通信ネットワークの実現に貢献します。
さらに、高速化と低コスト化が実現すれば、量子鍵配送システムはより多くの企業や個人が利用できるようになり、量子通信技術の普及を加速させます。
具体的には、以下のような応用が考えられます。

セキュアな通信: 軍事、政府、金融機関など、機密性の高い情報を扱う組織において、盗聴不可能な通信手段として利用されます。
個人情報保護: 個人情報の保護がますます重要になる中で、スマートフォンやIoTデバイスなど、様々なデバイスにおいて安全な通信を保証する技術として期待されます。
安全なデータストレージ: 量子鍵配送を用いることで、クラウドサービスなどにおけるデータ保管の安全性を飛躍的に向上させることができます。

偏光変調の速度と安定性の向上は、量子通信以外の分野にどのような影響を与える可能性がありますか？

偏光変調の速度と安定性の向上は、量子通信以外にも、様々な分野に大きな影響を与える可能性があります。
まず、光通信分野において、高速かつ安定した偏光変調は、データ伝送速度の向上と伝送距離の延長に貢献します。これは、次世代の光ファイバー通信システムや、長距離・大容量のデータ通信が求められる分野、例えば、5G/6Gモバイル通信、データセンター、海底ケーブルなどに大きく貢献します。
また、センシング分野において、高精度な偏光変調は、物質の特性をより正確に測定することを可能にします。これは、医療診断、環境モニタリング、食品分析、セキュリティなど、様々な分野で応用され、社会に貢献します。
さらに、計測分野において、高速な偏光変調は、超高速現象の観測を可能にする新しいツールとなります。これは、物理学、化学、生物学などの基礎科学分野における研究を大きく進展させる可能性があります。
具体的には、以下のような応用が考えられます。

光コヒーレンストモグラフィー(OCT): 高速な偏光変調を用いることで、OCTの画像化速度と分解能を向上させることができます。
偏光イメージング: 生体組織や材料の偏光特性を画像化する技術であり、医療診断や材料評価に応用されています。
光ファイバーセンサー: 偏光変調を用いた光ファイバーセンサーは、高感度、広帯域、耐ノイズ性などの利点があり、構造物の健全性監視、環境モニタリングなどに利用されています。
このように、偏光変調技術の進歩は、量子通信以外にも、幅広い分野に波及効果をもたらし、社会の発展に貢献することが期待されます。