論文の概要: A Security-Aware Nonlinearity Study of FPGA-Based Time-to-Digital Converters for Quantum Key Distribution Systems
- arxiv url: http://arxiv.org/abs/2604.00229v1
- Date: Tue, 31 Mar 2026 20:52:40 GMT
- ステータス: 翻訳完了
- システム内更新日: 2026-04-02 16:44:31.717556
- Title: A Security-Aware Nonlinearity Study of FPGA-Based Time-to-Digital Converters for Quantum Key Distribution Systems
- Title（参考訳）: FPGAを用いた量子鍵配電系における時間-ディジタル変換器のセキュリティを考慮した非線形性の検討
- Authors: Kun Qin, Carsten Trinitis,
- Abstract要約: 量子鍵分布(QKD)では、生の遅延線不均一性は偶然のタイミングに影響を与える可能性がある。
本稿では,FPGA-TDCの非線形性がQKDタイミング測定値にどのように伝搬するかを解析する。
- 参考スコア（独自算出の注目度）: 1.503974529275767
- License: http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
- Abstract: Intrinsic nonlinearity in FPGA-based time-to-digital converters (TDCs) is often treated as a calibration issue and evaluated mainly through post-correction metrics. In quantum key distribution (QKD), however, raw delay-line nonuniformity can affect coincidence timing and thereby influence accidental-coincidence rate and Quantum Bit Error Rate (QBER). This paper analyzes how measured FPGA-TDC nonlinearity propagates to QKD timing metrics using a conservative system-level model that combines random timing uncertainty and deterministic nonlinearity. We also propose fabric-level mitigation strategies based on LUT-assisted delay shaping and placement constraints to reduce severe bin-width irregularities without statistical calibrations. The method is evaluated by reproducing two open-source TDCs implemented on a low-cost Zynq-7000 FPGA. We observe reductions of 14\%-21\% in integral nonlinearity (INL) compared with the non-optimized design, leading to a reduced QBER contribution and an improvement by 3.7\%-14.2\% in the estimated secret fraction. These results suggest that raw FPGA-TDC nonlinearity deserves explicit consideration in timing-sensitive QKD implementations.
- Abstract（参考訳）: FPGAベースの時間-デジタル変換器(TDC)の固有非線形性はしばしば校正問題として扱われ、主に補正後の指標によって評価される。
しかし、量子鍵分布(QKD)では、生の遅延線不均一性は偶然のタイミングに影響し、偶然の衝突率や量子ビット誤り率(QBER)に影響を与える可能性がある。
本稿では,FPGA-TDC の非線形性がQKD タイミング指標にどのように伝播するかを,ランダムなタイミングの不確実性と決定論的非線形性を組み合わせた保守的システムレベルモデルを用いて解析する。
また,LUT支援遅延整形と配置制約に基づくファブリックレベルの緩和戦略を提案し,統計的キャリブレーションを伴わない重大ビン幅不規則性を低減した。
低コストなZynq-7000FPGA上に実装された2つのオープンソースTDCを再現して評価する。
非最適化設計と比較して, 積分非線形性 (INL) における 14\%-21\% の減少が観察され, QBER の寄与が減少し, 推定秘密分率 3.7\%-14.2\% の改善が得られた。
これらの結果から,FPGA-TDC の非線形性はタイミング感受性QKD の実装において明らかな考慮に値することが示唆された。
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