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。
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10 GHz Robust polarization modulation towards high-speed satellite-based quantum communication
Дополнительные вопросы
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？
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？
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？
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