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npj Quantum Information volume 7, Numéro d'article : 8 (2021) Citer cet article

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Détails des métriques

La distribution de clé quantique (QKD) à double champ (TF) est très intéressante car elle peut dépasser la limite fondamentale du taux de clé secrète pour le QKD point à point sans répéteurs quantiques. De nombreuses études théoriques et expérimentales ont montré la supériorité du TFQKD dans les communications longue distance. Toutes les implémentations expérimentales précédentes de TFQKD ont été réalisées sur des canaux optiques avec des pertes symétriques. Mais en réalité, notamment dans un environnement réseau, les distances entre les utilisateurs et le nœud intermédiaire peuvent être très différentes. Dans cet article, nous effectuons une démonstration expérimentale de preuve de principe de TFQKD sur des canaux optiques avec des pertes asymétriques. Nous comparons deux stratégies de compensation, à savoir (1) appliquer des intensités de signal asymétriques et (2) ajouter des pertes supplémentaires, et vérifions que la stratégie (1) offre un taux directeur bien meilleur. En outre, plus la perte est élevée, plus l’amélioration du taux directeur peut être importante. En appliquant des intensités de signal asymétriques, TFQKD avec des pertes de canal asymétriques dépasse non seulement la limite fondamentale du taux clé du QKD point à point pour une perte globale de 50 dB, mais a également un taux clé aussi élevé que 2,918 × 10−6 pour 56 dB global. perte. Alors qu'aucune clé n'est obtenue avec la stratégie (2) pour une perte de 56 dB. Le taux clé accru et la couverture de distance élargie de TFQKD avec des pertes de canal asymétriques garantissent sa supériorité dans les réseaux quantiques longue distance.

La distribution de clés quantiques (QKD) permet aux utilisateurs distants de partager des clés secrètes avec une sécurité théorique de l'information1,2. Cependant, en raison des pertes inévitables de canaux optiques, il existe une limite fondamentale au taux de clé secrète réalisable du QKD longue distance. Sans utiliser de répéteurs quantiques, la limite supérieure (également appelée limite sans répéteur dans cet article) du taux de clé secrète de QKD évolue linéairement avec la transmission du canal η3,4. Remarquablement, un nouveau type de QKD, appelé QKD à double champ (TF), a été proposé5 et peut pratiquement surmonter la limite du sans répéteur. Dans TFQKD, comme dans le QKD6 indépendant du dispositif de mesure (MDI), deux utilisateurs (Alice et Bob) envoient deux états cohérents à un nœud intermédiaire non fiable, c'est-à-dire Charlie, qui effectue la mesure. Étant donné que TFQKD utilise une interférence à photon unique, plutôt qu'une interférence à deux photons dans MDIQKD, le taux clé secret de TFQKD évolue comme \(\sqrt{\eta }\), permettant une couverture de distance sans précédent. De nombreuses variantes et analyses de sécurité de TFQKD7,8,9,10,11,12 ont été étudiées, suivies de multiples démonstrations expérimentales13,14,15,16. Plus récemment, TFQKD a été mis en œuvre avec succès sur plus de 500 km de fibres17,18. Il a été démontré que TFQKD est l’une des solutions les plus prometteuses et pratiques au QKD longue distance.

Cependant, toutes les études mentionnées ci-dessus ne considèrent que TFQKD sur des canaux optiques avec des pertes symétriques entre chacun des utilisateurs et le nœud intermédiaire, et laissent Alice et Bob utiliser des ensembles d'opérations identiques pour préparer leurs signaux. Cependant, cette hypothèse sur la symétrie des canaux est rarement vraie dans la réalité. TFQKD sur canaux asymétriques est important non seulement pour les implémentations pratiques point à point, mais également dans un environnement réseau où les distances optiques entre les utilisateurs et le nœud intermédiaire peuvent être considérablement différentes. Par exemple, comme le montre la figure 1, si l'on considère une configuration en boucle Sagnac, plusieurs utilisateurs peuvent être placés sur la même boucle, où ils partagent un relais commun, pour mettre en œuvre un réseau TFQKD. Cependant, les utilisateurs sur la boucle auront naturellement des distances différentes par rapport au relais, ce qui fait des canaux asymétriques une caractéristique majeure pour une telle configuration de réseau TFQKD. Des problèmes similaires existent également pour les réseaux en forme d'étoile où les utilisateurs sont placés à des distances arbitraires d'un relais central.

Plusieurs utilisateurs peuvent être placés sur la même boucle pour communiquer via un seul relais. Comme on peut le voir ici, des paires arbitraires d'utilisateurs peuvent avoir des distances (pertes de canal) très différentes du relais, ce qui nécessite un protocole TFQKD qui maintient de bonnes performances même en présence d'asymétrie de canal. Dans ce travail, nous présentons la mise en œuvre expérimentale d'un protocole TFQKD à intensité asymétrique qui maintient un débit élevé via des canaux asymétriques, démontrant ainsi la faisabilité d'un tel réseau TFQKD basé sur la boucle de Sagnac.