Улучшения реализаций систем квантового распределения ключей в атмосферных каналах с использованием сверхпроводящих детекторов

Введение

Потенциал технологии квантового распределения ключей (КРК) заключается в обеспечении безопасной связи между любыми точками Земли. Несмотря на стремительное развитие оптоволоконных квантовых сетей, из-за потерь при передаче ~0,2 дБ/км такие сети остаются наиболее эффективными в городском масштабе. Для создания глобальной квантовой сети целесообразно добавление протяженных участков КРК свободного пространства.

Основные проблемы реализаций КРК в свободном пространстве – помехи из-за атмосферной турбулентности и фоновый шум от солнечного света. В обзоре обсуждаются последние эксперименты, направленные на преодоление этих ограничений. Обсуждаемые реализации КРК в свободном пространстве используют длину волны 1550 нм для обеспечения совместимости с оптоволоконными архитектурами и интегральной полупроводниковой фотоникой.

Улучшение производительности КРК в условиях солнечного света

Научная группа Падуанского университета продемонстрировала практическую реализацию КРК по протоколу с одним состоянием-ловушкой (Decoy-state) на длине волны 1550 нм в условиях яркого дневного света с протяженностью канала 145 м. Фоновый шум, создаваемый прямым и рассеянным солнечным светом, устраняется с использованием временной, пространственной и спектральной фильтрации. Для детектирования используются сверхпроводящие детекторы ID281 (IDQ), охлажденные до 0,8 К. Алгоритм синхронизации по времени использует модули GPS Алисы и Боба и время-цифровой преобразователь qutools. Пространственная фильтрация обеспечивается соединением с одномодовым волокном на стороне Боба, а спектральная - уплотнением на WDM.

Продемонстрирована стабильная передача ключей в течение рекордных 8 часов солнечного дня (рис. 1а). Достигнута скорость генерации ключа 65 кбит/с. Собственный QBER системы составляет порядка 0,1% до распространения в свободном пространстве, и 0,5% после. В сравнении с прочими реализациями КРК при дневном свете, использующими ап-конверсионные однофотонные детекторы, алгоритм демонстрирует лучшую скорость генерации секретного ключа вплоть до уровня потерь в 23 дБ (рис. 1б).

Рисунок 1. (а) SNR (отношение сигнал/шум), TDR (частота всех детектирований), QBER, полученные при мониторинге работы КРК в солнечный день. (б) Моделирование предельной скорости генерации секретного ключа в зависимости от зафиксированных потерь для нескольких реализаций КРК на длине волны 1550 нм при солнечном свете.

Улучшения работы КРК в условиях высокой атмосферной турбулентности

В работе ученых из Университета Теннесси моделируется протокол BB84 с каналом передачи в открытом атмосферном канале с высокой турбулентностью. В реальных условиях высокую атмосферную турбулентность можно определить лазерным зондированием и исключить отсчеты, зарегистрированные во время неблагоприятных условий. В экспериментальной схеме для синхронизации с имитирующим потери модулем используется время-цифровой преобразователь ID801 (IDQ). Оптимальный порог исключения отсчетов устанавливается исходя из максимальной скорости генерации секретного ключа.

Для детектирования используются сверхпроводящие детекторы (SNSPD) ID281 (IDQ). В отличие от ранее используемых в аналогичном эксперименте однофотонных лавинных детекторов (SPAD), вероятность темновых отсчетов SNSPD не зависит от пропускания канала. Кроме того, экспериментально установленное значение фонового шума SNSPD на 1-2 порядка меньше для каждого канала.  Как видно по рис. 2а, оптимальный порог для схемы с SNSPD не зависит от пропускания канала. Использование SNSPD с лучшей квантовой эффективностью, меньшими значениями темновых отсчетов и отсутствием послеимпульсов позволяет установить более низкий порог срабатывания в сравнении с предыдущими экспериментами с использованием SPAD. При этом сохраняется больше отсчетов и практически не увеличивается количество ошибок, что положительно сказывается на скорости генерации секретного ключа. Таким образом, достигнуто увеличение допустимых потерь с 19 дБ до 40 дБ.

Рисунок 2. (а) Определение оптимальной скорости генерации ключа для каналов с потерями 40 дБ и 37 дБ. (б) Скорость генерации секретного ключа, смоделированная и измеренная.

Вывод

Использование алгоритмов постобработки и передовых сверхпроводящих детекторов одиночных фотонов может в значительной степени компенсировать недостатки реализации КРК в свободном пространстве, что подтверждает достижение QBER 0,5% при сильной солнечной засветке и успешная реализация протокола BB84 в канале с потерями 40 дБ. Эти достижения позволяют приблизиться к созданию глобальной квантовой сети, включающей оптоволоконные и атмосферные каналы квантовой связи.

Компания INSCIENCE занимается поставками оборудования для исследований в области квантовых коммуникаций.