1980年代に初めて提唱された量子鍵配送（QKD）は、従来の方法よりも安全に情報を伝送する方法を提供します。典型的なQKD方式では、送信者（アリス）が量子状態を用いて古典的な情報を符号化します。この情報は量子チャネルを通して受信者（ボブ）に送信されます。量子力学のクローン禁止定理により、この状態情報は複製できません。そのため、盗聴者（イブ）はアリスとボブに気づかれることなく送信された情報を復元したり複製したりすることができないため、このチャネルは盗聴者に対して堅牢です。このように、QKDは機密情報を傍受されることなく安全に伝送することができます。
量子鍵配送（QKD）には、確立されたプロトコルや方法が数多く存在します。近年、光ファイバーケーブル、連続波レーザー、コヒーレント受信機など、既存の通信インフラとの互換性から、連続変数量子鍵配送（CV-QKD）が人気を集めています[1]。これは、通常、個々の光子の偏光に情報を符号化する、単一光子レベルで動作する他の方法とは対照的です。CV-QKDでは、情報はコヒーレント光信号の直交位相に符号化され、受信機で復調されます。
CV-QKDスキームの実装を支援するために、 ハンブルク大学 中古 Moku:ProLiquid Instruments社のFPGAベースのデバイスは、高速で柔軟な信号処理と解析のための再構成可能なテストおよび計測機器スイートを提供します。 PIDコントローラー, ロックインアンプ, レーザーロックボックスグループは局部発振器の位相を安定させることができ、システムのノイズ性能を大幅に向上させることができた。彼らの結果は 最近公開された in オプティカ クォンタム [2]。
課題
ハンブルクのチームは、そのセットアップでいわゆる スクイーズド真空状態 1550 nmの通信波長では、ppKTP結晶を775 nmのレーザービームで励起することにより生成されます。これらのスクイーズド状態は、直交する直交位相にノイズが加わるという代償を伴いますが、一方の直交位相における信号対雑音比を改善します。これは図1に示されており、スクイーズドノイズはレーザーのショットノイズよりも低い値を示していますが、反スクイーズド直交位相ではノイズが高くなっています。スクイーズド直交位相の位相変調に情報を符号化することで、より優れたノイズ性能を実現できます。ただし、従来の通信技術と同様に、位相情報を復号するために受信機に局部発振器（LO）基準が必要となります。
この構成では、局部発振器は別の並列チャネルを介して送信元から受信機に送信されます（図 2 を参照）。信号が伝わる距離が 1 km を超えるため、温度変化や振動などの環境要因によって信号と LO の両方が歪み、位相変動が発生します。これは図 1 に示されており、送信後にスクイーズドノイズ電力がはるかに高くなり、実質的にショットノイズのレベルに戻っています。チームは、信号と LO 間の相関ノイズを打ち消すバランス型ホモダイン検出器方式を使用しました。これは、スクイーズド状態を検出する際の標準的な手法です。追加されたノイズに対抗するために、受信側にアクティブフィードバック機構を追加しました。この機構では、一連のカスケード接続された PID コントローラを使用して、LO の位相を継続的に調整および補償する必要があります。
ソリューション
ローマン・シュナーベル教授の研究室に所属する大学院生、ソフィー・ヴェルクラスは、図2に示すようなアクティブフィードバックループをアナログPIDコントローラで初めて試みた。しかし、アナログPIDコントローラでは実験の要件を満たすことができず、ノイズ性能の改善にもつながらなかった。
Moku:Proを借りてテストした後、彼女はそれを自分の環境に導入することにした。Mokuの マルチインストゥルメントモード これにより、アナログPIDコントローラを置き換えるだけでなく、ロックインアンプとレーザーロックボックスをその横に配置することも可能になった。光ファイバーEOMを介してLOをゆっくりと変調することで、ロックインアンプを使用して検出後に誤差信号を抽出することができた。カスケード接続されたPIDコントローラにより、制御ループは数桁にわたる周波数範囲で動作し、それぞれが異なるコンポーネントにフィードバック信号を提供することができた。光ファイバーEOM、ピエゾミラー、および位相シフターを慎重に制御することで、kHzからサブヘルツ範囲までの位相変動を補償することができた。
ソフィーはMokuアプリを使ってPIDコントローラーを手動で調整し、各コントローラーのパラメーターをそれぞれの周波数範囲に合わせて調整することができました。これにより、測定シーケンスにおける長距離によって発生するノイズに対して、彼女のシステムが堅牢であることが保証されました。
結果
発表された結果によると、研究グループはスクイーズド真空状態を1kmの光ファイバーで送信し、キャンパス内の2つの異なる建物間で信号を送ることでシステムをテストしました。ロック方式を用いないノイズ測定（図1）では受信点で信号が大きく劣化していましたが、位相補償を追加することでノイズ性能が劇的に改善されました。Moku:Proによって制御・調整されたロック設定により、1GHzを超える信号の全帯域幅にわたって位相ノイズを補償することができました。この広い帯域幅は、CV-QKDプロトコルを実装する際に高い鍵レートを実現するために不可欠です。彼らの結果は、スクイーズド状態を用いたCV-QKDプロトコルが、数km程度の短い量子チャネルで符号化された鍵情報を送信する効果的な方法であることを示しています。
研究結果の発表後、グループはMoku:Proのさらなる用途を見つけ始めました。 波形発生器 変調信号を生成するための装置。彼らはまた、使用し始めた。 Mokuコンパイル カスタムHDLモジュールを生成し、それをCustom Instrumentを使用して展開しました。最終的に、Custom Instrumentモジュールは自作のエンベロープ検出器に取って代わり、遅延発生器も追加されました。ソフィーは、彼女のグループが研究室でMokuのさらなる活用法を見つけ続けるだろうと予測しています。
参考情報
[1] 張 ら 連続変数量子鍵配送システム：過去、現在、そして未来。 応用物理学レビュー 11 011318（2024）. https://doi.org/10.1063/5.0179566
[2] S. ヴェルクラス ら 位相安定化されたGHz帯域幅のスクイーズド真空状態光を、2つの建物間で光ファイバーを通して伝送する。 オプティカ クォンタム 4、1-6（2026）。 https://doi.org/10.1364/OPTICAQ.567418