論文の概要: Decoy state and purification protocols for superior quantum key distribution with imperfect quantum-dot based single photon sources: Theory and Experiment

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2409.07939v2
• Date: Wed, 23 Jul 2025 19:35:00 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-07-25 17:20:51.511469
• Title: Decoy state and purification protocols for superior quantum key distribution with imperfect quantum-dot based single photon sources: Theory and Experiment
• Title（参考訳）: 不完全量子ドット型単一光子源を用いた量子鍵分布の劣化状態と浄化プロトコル:理論と実験
• Authors: Yuval Bloom, Yoad Ordan, Tamar Levin, Kfir Sulimany, Eric G. Bowes, Jennifer A. Hollingsworth, Ronen Rapaport,
• Abstract要約: 我々は、理想のポアソン光子源から遠く離れた実用的な量子鍵分布プロトコルを2つ示し、最先端のWCSより優れていることを示す。 このような量子ドット源を用いてBB84 QKDを実験的にエミュレートし、最高のBB84 WCS性能よりもプロトコルの優位性を検証した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 0.33654492025566546
• License: http://arxiv.org/licenses/nonexclusive-distrib/1.0/
• Abstract: The original proposal of quantum key distribution (QKD) was based on ideal single photon sources, which 40 years later, are still challenging to develop. Therefore, the development of decoy state protocols using weak coherent states (WCS) from lasers, set the frontier in terms of secure key rates and distances. Here, we propose and experimentally demonstrate two simple-to-implement QKD protocols that allow practical, far from ideal sub-Poissonian photon sources to outperform state-of-the-art WCS. By engineering the photon statistics of a biexciton-exciton cascade in room temperature single photon sources based on giant colloidal quantum dots coupled to nanoantennas, we show that either a truncated decoy state protocol or a heralded purification protocol can be employed to achieve a significantly increased performance in terms of the maximal allowed channel loss for secure key creation, which can exceed even that of ideal WCS by more than 3dB. We then experimentally emulate a BB84 QKD using such a quantum dot source, verifying the superiority of our protocols over the best possible BB84 WCS performance. These protocols can be utilized efficiently on a host of various quantum emitters having controllable photon statistics with a finite photon-number basis, offering a practical approach to QKD without the hindering requirements on the single photon purity of the photon source.
• Abstract（参考訳）: 量子鍵分布(QKD)の最初の提案は、40年後の今でも開発が難しい理想的な単一光子源に基づいていた。 したがって、レーザーからの弱いコヒーレント状態(WCS)を用いたデコイ状態プロトコルの開発により、フロンティアは安全な鍵レートと距離で設定される。 本稿では,2つの簡易実装QKDプロトコルを提案し,実験により実証した。 ナノアンテナに結合した巨大コロイド量子ドットをベースとした室温単一光子源におけるビエクシトン・エキシトンカスケードの光子統計を工学的に解析することにより,3dB以上で理想的なWCSを超過できる,セキュアな鍵生成のために最大チャネル損失を最大化するために,トランキャットデコイ状態プロトコルまたはヘラルド精製プロトコルを使用すれば,大幅な性能向上が達成できることを示す。 そして、このような量子ドット源を用いてBB84 QKDを実験的にエミュレートし、最も優れたBB84 WCS性能に対するプロトコルの優位性を検証した。 これらのプロトコルは、有限光子数で制御可能な光子統計を持つ様々な量子エミッターのホスト上で効率よく利用することができ、光子源の単一光子純度を妨げずにQKDに実践的なアプローチを提供する。

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