論文の概要: Field-Trial Quantum Key Distribution with Qubit-Based Frame Synchronization

• arxiv url: http://arxiv.org/abs/2510.17659v2
• Date: Tue, 21 Oct 2025 03:38:37 GMT
• ステータス: 翻訳完了
• システム内更新日: 2025-10-25 03:08:12.12589
• Title: Field-Trial Quantum Key Distribution with Qubit-Based Frame Synchronization
• Title（参考訳）: 量子ビットフレーム同期によるフィールドトリアル量子鍵分布
• Authors: Rui Guan, Jingchun Yu, Zhaoyun Li, Hongbo Xie, Yuxing Wei, Sen Li, Jing Wen, Xiaodong Liang, Yanwei Li, Kejin Wei,
• Abstract要約: 量子鍵分散(Quantum Key Distribution, QKD)は、量子力学的原理を用いてセキュアな鍵交換を可能にする暗号技術である。 我々は,中国南京の大都市ファイバネットワーク上に展開する,最近提案されたqubitベースの分散フレーム同期方式を取り入れたQKDシステムを実演する。 12時間の連続運転の間、システムはQBERの低い平均量子ビットエラー率(QBER)を1.12/%維持し、18dBチャネル損失で26.6kbit/sのセキュアな鍵レートを実現した。
• 参考スコア（独自算出の注目度）: 12.233357200393224
• License: http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
• Abstract: Quantum key distribution (QKD) is a cryptographic technique that uses quantum mechanical principles to enable secure key exchange. Practical deployment of QKD requires robust, cost-effective systems that can operate in challenging field environments. A major challenge is achieving reliable clock synchronization without adding hardware complexity. Conventional approaches often use separate classical light signals, which increase costs and introduce noise that degrades quantum channel performance. To address this limitation, we demonstrate a QKD system incorporating a recently proposed qubit-based distributed frame synchronization method, deployed over a metropolitan fiber network in Nanning, China. Using the polarization-encoded one-decoy-state BB84 protocol and the recently proposed qubit-based distributed frame synchronization method, our system achieves synchronization directly from the quantum signal, eliminating the need for dedicated synchronization hardware. Furthermore, to counteract dynamic polarization disturbances in urban fibers, the system integrates qubit-based polarization feedback control, enabling real-time polarization compensation through an automated polarization controller using data recovered from the qubit-based synchronization signals. During 12 hours of continuous operation, the system maintained a low average quantum bit error rate (QBER) of 1.12/%, achieving a secure key rate of 26.6 kbit/s under 18 dB channel loss. Even under a high channel loss of 40 dB, a finite-key secure rate of 115 bit/s was achieved. This study represents the first successful long-term validation of a frame-synchronization based QKD scheme in a real urban environment, demonstrating exceptional stability and high-loss tolerance, and offering an alternative for building practical, scalable, and cost-efficient quantum-secure communication networks.
• Abstract（参考訳）: 量子鍵分散(Quantum Key Distribution, QKD)は、量子力学的原理を用いてセキュアな鍵交換を可能にする暗号技術である。 QKDの実践的な展開には、挑戦的なフィールド環境で運用可能な堅牢で費用対効果の高いシステムが必要である。 大きな課題は、ハードウェアの複雑さを増すことなく、信頼できるクロック同期を実現することだ。 従来のアプローチでは、コストを増大させ、量子チャネル性能を低下させるノイズを導入するため、古典的な信号が分離されることが多い。 この制限に対処するために、中国南京の大都市ファイバネットワーク上に展開された、最近提案されたqubitベースの分散フレーム同期方式を組み込んだQKDシステムを実演する。 偏光符号化された1デコイ状態BB84プロトコルと最近提案されたqubitベースの分散フレーム同期方式を用いて,本システムは量子信号から直接同期し,専用同期ハードウェアの必要性を解消する。 さらに, 都市ファイバの動的偏光障害に対する対策として, Qubitベースの偏光フィードバック制御を統合し, Qubitベースの同期信号から取得したデータを用いて, 自動偏光制御によるリアルタイム偏光補償を実現する。 12時間の連続運転の間、システムは1.12/%の低い平均量子ビット誤り率(QBER)を維持し、18dBチャネル損失で26.6kbit/sのセキュアな鍵レートを実現した。 高チャネル損失40dBでも, 有限キー確保率115bit/sを実現した。 本研究は, 実都市環境におけるフレーム同期型QKDスキームの長期的検証に成功し, 例外的安定性と高損失耐性を示し, 実用的でスケーラブルで費用対効果の高い量子セキュア通信ネットワーク構築のための代替手段を提供する。

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