Доказательство

npj Quantum Information, том 7, номер статьи: 8 (2021 г.) Цитировать эту статью

2341 Доступов

25 цитат

4 Альтметрика

Подробности о метриках

Квантовое распределение ключей (QKD) с двумя полями (TF) очень привлекательно, поскольку оно может превзойти фундаментальный предел скорости секретного ключа для двухточечной QKD без квантовых повторителей. Многие теоретические и экспериментальные исследования показали превосходство TFQKD при общении на больших расстояниях. Все предыдущие экспериментальные реализации TFQKD проводились по оптическим каналам с симметричными потерями. Но в действительности, особенно в сетевых условиях, расстояния между пользователями и средним узлом могут сильно различаться. В этой статье мы проводим экспериментальную демонстрацию принципа TFQKD по оптическим каналам с асимметричными потерями. Мы сравниваем две стратегии компенсации: (1) применение асимметричной интенсивности сигнала и (2) добавление дополнительных потерь, и проверяем, что стратегия (1) обеспечивает гораздо лучшую ключевую ставку. Более того, чем выше потери, тем большего повышения ключевой ставки можно достичь. Применяя асимметричные интенсивности сигнала, TFQKD с асимметричными потерями в канале не только превосходит фундаментальный предел ключевой скорости двухточечного QKD при общих потерях 50 дБ, но также имеет ключевую скорость до 2,918 × 10−6 при общих потерях 56 дБ. потеря. Тогда как при использовании стратегии (2) при потерях 56 дБ ключи не получаются. Повышенная ключевая скорость и увеличенное расстояние покрытия TFQKD с асимметричными потерями в канале гарантируют его превосходство в квантовых сетях на больших расстояниях.

Квантовое распределение ключей (QKD) позволяет удаленным пользователям обмениваться секретными ключами с соблюдением теоретико-информационной безопасности1,2. Однако из-за неизбежных потерь оптических каналов существует фундаментальное ограничение на достижимую скорость секретного ключа QKD на большие расстояния. Без использования квантовых повторителей верхняя граница (также называемая границей без повторителя в этой статье) скорости секретного ключа QKD масштабируется линейно с коэффициентом пропускания канала η3,4. Примечательно, что был предложен новый тип ККД, названный ККД двойного поля (ТФ), который может практически преодолеть ограничение без повторителей. В TFQKD, как и в независимом от измерительного устройства (MDI) QKD6, два пользователя (Алиса и Боб) отправляют два когерентных состояния недоверенному промежуточному узлу, то есть Чарли, который выполняет измерение. Поскольку TFQKD использует однофотонную интерференцию, а не двухфотонную интерференцию в MDIQKD, скорость секретного ключа TFQKD масштабируется как \(\sqrt{\eta }\), что обеспечивает беспрецедентное расстояние покрытия. Было изучено множество вариаций и анализов безопасности TFQKD7,8,9,10,11,12, за которыми последовали многочисленные экспериментальные демонстрации13,14,15,16. Совсем недавно TFQKD был успешно реализован на оптоволокне длиной более 500 км17,18. Показано, что TFQKD является одним из наиболее перспективных и практичных решений КРК на больших расстояниях.

Однако все вышеупомянутые исследования рассматривают TFQKD только по оптическим каналам с симметричными потерями между каждым из пользователей и промежуточным узлом и позволяют Алисе и Бобу использовать идентичные наборы операций при подготовке своих сигналов. Однако это предположение о симметрии каналов редко оказывается верным в действительности. TFQKD по асимметричным каналам важен не только для практических реализаций двухточечной связи, но и в сетевых условиях, где оптические расстояния между пользователями и средним узлом могут существенно различаться. Например, как показано на рис. 1, если мы рассмотрим настройку петли Саньяка, несколько пользователей могут быть помещены в одну петлю, где они используют общее реле, для реализации сети TFQKD. Однако пользователи в контуре, естественно, будут находиться на разных расстояниях до ретранслятора, что делает асимметричные каналы основной характеристикой такой конфигурации сети TFQKD. Подобные проблемы существуют и для звездообразных сетей, где пользователи располагаются на произвольном расстоянии от центрального ретранслятора.

Несколько пользователей могут быть подключены к одному контуру для связи через одно реле. Как можно видеть здесь, произвольные пары пользователей могут иметь очень разные расстояния (потери в канале) от реле, что требует протокола TFQKD, который поддерживает хорошую производительность даже при наличии асимметрии канала. В этой работе мы представляем экспериментальную реализацию протокола TFQKD с асимметричной интенсивностью, который поддерживает высокую скорость через асимметричные каналы, тем самым демонстрируя осуществимость такой сети TFQKD на основе петли Саньяка.