Capacity and SKR tradeoff in coexisting classical and CV-QKD metropolitan-reach optical links

Sintesi Tecnica: Trade-off tra Capacità e SKR in Collegamenti Metro-Reach Coesistenti tra Classici e CV-QKD

Definizione del Problema
Sebbene la distribuzione quantistica di chiavi a variabili continue (CV-QKD) offra una compatibilità intrinseca con il rilevamento coerente e una maggiore tolleranza al rumore rispetto ai protocoli a variabili discrete (DV), consentendo la coesistenza con il traffico internet classico su fibre a multiplexing per divisione di lunghezza d'onda densa (DWDM), rimangono significativi deficit prestazionali. Nei collegamenti ibridi metropolitani, i canali classici inducono interferenze non lineari che degradano il tasso di chiave quantistica (SKR). Nello specifico, lo scattering Raman spontaneo (SpRS) domina alle lunghe distanze, mentre la miscelazione a quattro onde (FWM), che scala cubicamente con la potenza, diventa l'interferenza dominante nei sistemi DWDM a corto-medio raggio (10–25 km). Studi precedenti hanno ottimizzato l'allocazione delle lunghezze d'onda e quantificato i limiti delle prestazioni, ma le regole di progettazione del guardband dipendenti dalla potenza e i trade-off quantitativi tra SKR e capacità classica per la coesistenza CV-QKD non sono stati esplorati a fondo.

Metodologia e Framework Analitico
Gli autori sviluppano un modello di interferenza completo per un collegamento in banda C dove $N_{cl}$ canali WDM classici e un canale CV-QKD co-propagano su fibra monomodale standard. Il framework utilizza il modello di coesistenza da [7] per calcolare la potenza di interferenza non lineare ($P_{int}$) alla lunghezza d'onda quantistica, tenendo conto di SpRS, FWM ed effetti fuori banda con piena dipendenza dalla frequenza.

Componenti chiave della modellazione:

• Mappatura del Rumore: $P_{int}$ è mappata al rumore eccessivo riferito all'ingresso ($\xi_{coex}$) per un collegamento CV-QKD coerente utilizzando le relazioni standard del numero di fotoni.
• Calcolo dell'SKR: L'SKR asintotico è calcolato per la CV-QKD a stato coerente modulato gaussianamente con riconciliazione inversa sotto attacchi collettivi, considerando il rumore totale composto da rumore del vuoto indotto dalla perdita, rumore di rilevamento fidato e rumore di coesistenza.
• Meccanismi Fisici: Il modello risolve le equazioni accoppiate di evoluzione della potenza. Evidenzia che il rumore indotto da FWM scala come $\gamma^2 P^3 L_{eff}^2$ e decade con la separazione in frequenza, rendendolo sensibile alla larghezza del guardband. Al contrario, lo SpRS scala linearmente ($g_R P L_{eff}$) attraverso una banda larga (~40 THz) ed è ampiamente insensibile ai guardband su scala gigahertz.
• Parametri di Simulazione: Lo studio analizza variazioni della dimensione del guardband ($N_{GB}$ da 0 a 10 canali), della potenza di lancio per canale (da −4,5 a 0,5 dBm/ch) e della distanza di trasmissione (da 0 a 30 km) su una griglia DWDM a 88 canali e 50 GHz. Il canale quantistico è posizionato o al centro della banda (Canale 44) o al bordo della banda (Canale 88).

Risultati Chiave
L'analisi numerica rivela distinti regimi operativi basati sulla potenza di lancio e sulla configurazione del guardband:

1. Transizione del Regime di Rumore: A basse potenze (es. −4,5 dBm/ch), lo SpRS domina, risultando in un SKR di ~200 Mbit/s che rimane largamente indipendente dalla dimensione del guardband. Ad alte potenze (es. 0,5 dBm/ch), la FWM domina, portando l'SKR vicino allo zero senza protezione. Esiste una regione di transizione tra −5 e 0 dBm/ch dove la FWM supera lo SpRS.
2. Efficacia del Guardband:
   • Alta Potenza: A 0,5 dBm/ch, un guardband di 3 canali (150 GHz) recupera l'SKR da ~0 a 38 Mbit/s.
   • Potenza Intermedia: A −1,5 dBm/ch, un guardband di 3 canali produce un incremento dell'SKR del 108%.
   • Bassa Potenza: A −4,5 dBm/ch, i guardband forniscono un beneficio trascurabile poiché lo SpRS è il fattore limitante.
3. Strategia di Posizionamento: Posizionare il canale quantistico al bordo della banda (Canale 88) è significativamente più efficiente rispetto alla protezione simmetrica al centro della banda. Per un guardband di 3 canali a −1,5 dBm/ch, il posizionamento al bordo raggiunge l'incremento dell'SKR del 108% con una perdita di capacità classica di solo il 3,4%, rispetto al 6,8% per la protezione al centro della banda.
4. Direzione di Propagazione: La contro-propagazione offre solo un guadagno marginale di SKR (~2,6%) rispetto alla co-propagazione, suggerendo che la co-propagazione con guardband ottimizzati sia quasi ottimale.
5. Estensione della Portata: Ad alta potenza (0,5 dBm/ch), un guardband di 3 canali estende la distanza di co-propagazione da ~3 km a ~10 km. A bassa potenza, tutte le configurazioni raggiungono i 20–23 km, confermando che i guardband sono necessari principalmente nell'intervallo di potenza dominato dalla FWM.

Significatività e Rivendicazioni
Il documento sostiene di fornire linee guida pratiche e derivate teoricamente per il dispiegamento di reti ibride CV-QKD su infrastrutture in fibra esistenti. Il contributo primario è l'identificazione di un regime di transizione tra il rumore dominato da FWM e quello da SpRS, che detta la necessità e il design dei guardband.

Gli autori affermano che:

• Per potenze di lancio inferiori a −2 dBm, i collegamenti sono limitati dallo SpRS e non è richiesto alcun guardband.
• Nel regime dominato dalla FWM (−1,5 a 0,5 dBm/ch), il posizionamento al bordo della banda con guardband da 100–150 GHz può raddoppiare l'SKR comportando solo una perdita di capacità del 3,4%.
• Questo approccio è circa due volte più efficiente in termini di preservazione della capacità rispetto alla protezione simmetrica al centro della banda.

Questi risultati mirano a risolvere il trade-off tra sicurezza quantistica e throughput classico, consentendo l'integrazione scalabile della CV-QKD nelle reti DWDM metropolitane senza la necessità di fibre dedicate (dark fibers).