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

Technische Samenvatting: Capaciteit en SKR-afruil in Co-existente Klassieke en CV-QKD Metro-Reach Links

Probleemstelling
Hoewel Continuous-Variable Quantum Key Distribution (CV-QKD) een inherente compatibiliteit biedt met coherente detectie en een hogere ruistolerantie vergeleken met Discrete-Variable protocollen, wat co-existentie met klassiek internetverkeer over Dense Wavelength Division Multiplexing (DWDM) vezels mogelijk maakt, blijven significante prestatiebeperkingen bestaan. In metropolitane hybride links veroorzaken klassieke kanalen niet-lineaire interferentie die de Quantum Key Rate (SKR) degradeert. Specifiek domineert Spontane Raman-verstrooiing (SpRS) bij lange afstanden, terwijl Vier-golf-menging (FWM), die kubisch schaalt met vermogen, de dominante beperking wordt in short-to-medium reach (10–25 km) DWDM-systemen. Eerdere studies hebben de golflengteallocatie geoptimaliseerd en prestatiegrenzen gekwantificeerd, maar systematische, vermogensafhankelijke guardband-ontwerpregels en kwantitatieve afruilen tussen SKR en klassieke capaciteit voor CV-QKD co-existentie zijn niet grondig onderzocht.

Methodologie en Analytisch Kader
De auteurs ontwikkelen een uitgebreid interferentiemodel voor een C-band link waarbij $N_{cl}$ klassieke WDM-kanalen en één CV-QKD-kanaal co-propageren over standaard single-mode vezel. Het kader maakt gebruik van het co-existentiemodel uit [7] om de niet-lineaire interferentie-energie ($P_{int}$) bij de kwantumgolflengte te berekenen, waarbij rekening wordt gehouden met SpRS, FWM en out-of-band effecten met volledige frequentieafhankelijkheid.

Belangrijke modelleringscomponenten zijn:

• Ruismapping: $P_{int}$ wordt gemapt naar de input-gerelateerde excessieve ruis ($\xi_{coex}$) voor een coherente CV-QKD link met behulp van standaard fotonenaantal-relaties.
• SKR-berekening: De asymptotische SKR wordt berekend voor Gaussian-modulated coherent-state CV-QKD met reverse reconciliation onder collectieve aanvallen, waarbij rekening wordt gehouden met totale ruis bestaande uit verlies-geïnduceerde vacuümruis, vertrouwde detectieruis en co-existentieruis.
• Fysische Mechanismen: Het model lost gekoppelde vermogensevolutie-vergelijkingen op. Het benadrukt dat FWM-geïnduceerde ruis schaalt als $\gamma^2 P^3 L_{eff}^2$ en afneemt met frequentieseparatie, wat het gevoelig maakt voor de breedte van de guardband. Daarentegen schaalt SpRS lineair ($g_R P L_{eff}$) over een brede bandbreedte (~40 THz) en is het grotendeels ongevoelig voor gigahertz-schaal guardbands.
• Simulatieparameters: De studie voert een sweep uit op de guardband grootte ($N_{GB}$ van 0–10 kanalen), per kanaal lanceringvermogen (−4,5 tot 0,5 dBm/ch) en transmissieafstand (0–30 km) op een 88-kanaals, 50 GHz DWDM-grid. Het kwantumkanaal is gepositioneerd ofwel in het centrum van de band (Ch 44) of aan de rand van de band (Ch 88).

Belangrijkste Resultaten
De numerieke analyse onthult onderscheidende operationele regimes gebaseerd op lanceringvermogen en guardband-configuratie:

1. Ruisregime Transitie: Bij lage vermogens (bijv. −4,5 dBm/ch) domineert SpRS, wat resulteert in een SKR van ~200 Mbit/s die grotendeels onafhankelijk blijft van de guardband grootte. Bij hoge vermogens (bijv. 0,5 dBm/ch) domineert FWM, waardoor de SKR zonder bescherming naar bijna nul gaat. Een transitiegebied bestaat tussen −5 en 0 dBm/ch waar FWM de overhand neemt op SpRS.
2. Effectiviteit van de Guardband:
   • Hoog Vermogen: Bij 0,5 dBm/ch herstelt een 3-kanaals (150 GHz) guardband de SKR van ~0 naar 38 Mbit/s.
   • Intermediair Vermogen: Bij −1,5 dBm/ch levert een 3-kanaals guardband een toename van de SKR met 108% op.
   • Laag Vermogen: Bij −4,5 dBm/ch bieden guardbands een verwaarloosbaar voordeel omdat SpRS de limiterende factor is.
3. Positioneringsstrategie: Het plaatsen van het kwantumkanaal aan de rand van de band (Ch 88) is aanzienlijk efficiënter dan symmetrische bescherming in het centrum van de band. Voor een 3-kanaals guardband bij −1,5 dBm/ch bereikt plaatsing aan de rand de 108% SKR-winst met slechts een verlies van 3,4% in klassieke capaciteit, vergeleken met een 6,8% verlies voor bescherming in het centrum van de band.
4. Propagatierichting: Counter-propagatie biedt slechts een marginale extra SKR-winst (~2,6%) ten opzichte van co-propagatie, wat suggereert dat co-propagatie met geoptimaliseerde guardbands nabij-optimaal is.
5. Bereikverlenging: Bij hoog vermogen (0,5 dBm/ch) verlengt een 3-kanaals guardband de co-propagerende afstand van ~3 km naar ~10 km. Bij laag vermogen bereiken alle configuraties 20–23 km, wat bevestigt dat guardbands primair noodzakelijk zijn in het FWM-gedomineerde vermogensbereik.

Betekenis en Claims
Het artikel beweert praktische, theoretisch afgeleide richtlijnen te bieden voor de implementatie van hybride CV-QKD netwerken op bestaande vezelinfrastructuur. De primaire bijdrage is de identificatie van een transitie-regime tussen FWM- en SpRS-gedomineerde ruis, die de noodzaak en het ontwerp van guardbands dicteert.

De auteurs stellen dat:

• Voor lanceringvermogens onder de −2 dBm zijn de links SpRS-gelimiteerd en is geen guardband vereist.
• In het FWM-gedomineerde regime (−1,5 tot 0,5 dBm/ch), kan plaatsing aan de bandrand met 100–150 GHz guardbands de SKR verdubbelen terwijl slechts een 3,4% capaciteitsverlies optreedt.
• Deze aanpak is ongeveer twee keer zo efficiënt in termen van het behoud van capaciteit vergeleken met symmetrische bescherming in het midden van de band.

Deze bevindingen beogen de afruil tussen kwantumbeveiliging en klassieke doorvoer op te lossen, wat de schaalbare integratie van CV-QKD in metropolitane DWDM-netwerken mogelijk maakt zonder de noodzaak van dedicated dark fibers.