Optimization of C-band quantum traffic coexisting with O-band classical traffic: preliminary results

기술 요약: O-대역 고전적 트래픽과 공존하는 C-대역 양자 트래픽의 최적화

문제 정의
대규모 양자 네트워크의 배포를 위해서는 전용 "다크(dark)" 광섬유보다는 기존의 통신 광섬유 인프라를 활용해야 합니다. 이는 실질적으로 불가능하며 비용이 매우 많이 들기 때문입니다. 이러한 맥락에서 발생하는 핵심 과제는 동일한 단일 코어, 단일 모드 광섬유 내에서 저전력 양자 신호와 고전력 고전적 트래픽을 공존시키는 것입니다. 이러한 공공 전파 시나리오에서 주요한 저해 요인은 자발 라만 산란(Spontaneous Raman Scattering, SpRS)입니다. 이 과정에서 고전적 신호의 광자들이 넓은 스펙트럼에 걸쳐 산란되어, 공존하는 양자 신호의 스펙트럼 대역 내로 들어오는 노이즈를 생성합니다. 라만 산란에 대한 이론적 모델은 존재하지만, 실제 조건하의 표준 광섬유에서 관찰되는 미세한 스펙트럼 구조를 포착하지 못하는 경우가 많습니다. 또한, 이전의 실험 연구들은 종종 협대역 선폭을 가진 실험실용 레이저나 공간/시간 다중화 아키텍처에 의존해 왔으며, 이는 상용 컴포넌트를 사용하는 배포된 도시형 광섬유 인프라의 제약을 반영하지 못합니다.

방법론
본 연구는 표준 단일 모드 광섬비 환경에서 O-대역 고전적 트래픽에 의해 생성되는 C-대역 SpRS 노이즈를 실험적으로 조사합니다. 연구는 나폴리 페데리코 2 대학의 National Quantum Internet.it 테스트베드를 사용하여 수행되었습니다.

• 실험 설정: 연구진은 1310 nm(O-대역)에서 작동하는 상용 SFP 광 트랜시버(구체적으로 Finisar 및 Huawei 모듈)를 고전적 소스로 사용했습니다. 이전 연구들과 달리, 공간적 또는 시간적 다중화를 사용하지 않고 신호들이 동시에 공공 전파되도록 했습니다.
• 필터링 및 격리: 신호의 순도를 보장하기 위해, O-대역 소스를 격리하고 대역 외 성분을 억제하기 위해 직렬 연결된 WDM 필터를 사용했습니다. 수신기 측에서는 두 번째 WDM 캐스케이드가 C-대역을 격리하였고, 이어서 25 GHz 대역폭의 협대역 가변 필터가 ITU 채널 15부터 63까지를 스캔했습니다.
• 검출: SpRS 광자는 2.2 K에서 작동하는 초전도 나노와이어 단일 광자 검출기(SNSPD)를 사용하여 검출되었으며, 약 80%의 검출 효율과 약 100 cps의 암계수(dark count rate)를 달립했습니다.
• 변수: 다양한 도시 시나리오를 시뮬레이션하기 위해 다양한 길이(100 m, 500 m, 5 km)의 광섬유 스풀을 사용하여 실험을 진행했습니다. 또한, 소스 의존성을 평가하기 위해 상용 SFP와 협대역 선폭 레이저를 비교했습니다.

주요 기여 및 모델링
본 연구의 주요 기여는 특정 광원 사용 여부와 관계없이 적용 가능한 간결하고 예측 가능한 SpRS 노이즈 모델을 도출한 것입니다.

• 모델: 저자들은 소스 의존적 스케일 인자($S_{src}$), 광섬유 길이, 파장의 함수로서 SpRS 계수율($C_{SpRS}$)에 대한 모델을 제안합니다:
  $$C_{SpRS}(S_{src}, \lambda, L) = S_{src} A(\lambda) \frac{e^{-\alpha_c L} - e^{-\alpha_o L}}{\alpha_o - \alpha_c}$$
  여기서 $S_{src}$는 소스 의존적 스케일 인자이며, 감쇠 항은 O-대역($\alpha_o$) 및 C-대역($\alpha_c$) 광섬유 손실을 기반으로 한 유효 상호작용 길이를 고려합니다.
• 스펙트럼 프로파일 ($A(\lambda)$): 일반화된 이론적 모델과 달리, 라만 산란 계수 $A(\lambda)$는 실험 데이터로부터 직접 도출된 4차 다항식으로 모델링되었습니다. 이 접근 방식은 테스트베드에서 관찰된 특정 스펙트럼 변화와 미세 구조를 포착합니다.
• 검증: 모델은 세 가지 서로 다른 소스(두 종류의 상용 SFP와 하나의 레이저)에 대해 여러 광섬유 길이에 걸쳐 검증되었습니다. 모델과 실험 데이터 사이의 상대 오차는 낮게 나타났으며(예: 500 m 및 5 km 길이에서 2.7% ~ 5.1%), 이는 모델의 견고함과 소스 불가지론적(source-agnostic) 특성을 확인시켜 줍니다.

결과

• 최적 채널 식별: 실험 데이터와 도출된 모델은 일관되게 1535 nm(ITU 채널 44) 부근에서 SpRS 노이즈의 스펙트럼 최소치를 식별했습니다. 이는 1310 nm 고전적 트래픽과 공존할 때 채널 44가 양자 신호 전송에 가장 적합한 C-대역 채널임을 시사합니다.
• 필터링 영향: 본 연구는 관심 신호를 격리하기 위해 WDM 컴포넌트를 직렬로 연결하는 것이 필수적임을 입증했습니다. WDM의 수를 늘리는 것이 삽입 손실을 유발하지만, 이는 계수 변동을 크게 줄이고 잔류 대역 외 노이즈를 효과적으로 억제합니다.
• 소스 독립성: 모델은 서로 다른 하드웨어 제조사(Finisar vs. Huawei)와 서로 다른 소스 유형(상용 SFP vs. 협대역 레이저)에 대한 SpRS 거동을 성공적으로 예측하여, 특정 에미터의 내부 아키텍처와 관계없이 근본적인 물리적 동작이 포착됨을 증명했습니다.
• 길이 의존성: 모델은 광섬로 길이에 따른 노이즈 스케일링을 정확하게 설명합니다. 배경 노이즈에 비해 라만 계수가 적은 매우 짧은 길이(100 m)에서는 편차가 다소 두드러졌으나, 전체적인 경향성과 스펙트럼 최소치의 식별은 신뢰할 수 있는 수준을 유지했습니다.

의의
본 논문은 이러한 결과가 다양한 광섬유 시스템에 적용 가능한 파라미터 강건한(parameter-robust) 라만 산란 기술의 토대를 마련한다고 주장합니다. 모든 새로운 구성마다 직접적인 스펙트럼 측정을 요구하지 않는 예측 모델을 제공함으로써, 본 연구는 양자-고전 공존을 설계하고 최적화하기 위한 실용적인 도구를 제공합니다. 구체적으로, 이는 O-대역 고전적 트래픽으로부터 발생하는 SpRS 노이즈의 영향을 가장 적게 받는 최적의 C-대역 채널 할당을 식별할 수 있게 합니다. 이는 전용 다크 파이버 없이도 기존 도시형 광섬유 인프라 상에서 대규모 양자 네트워크 배포를 가능하게 하는 근본적인 단계입니다.