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

Resumo Técnico: Otimização do Tráfego Quântico na Banda C coexistindo com o Tráfego Clássico na Banda O

Definição do Problema
A implantação de redes quânticas em larga escala requer o aproveitamento da infraestrutura de fibra de telecomunicações existente, em vez de fibras dedicadas ("dark fibers"), que são impraticáveis e proibitivamente caras. Um desafio crítico neste contexto é a coexistência de sinais quânticos de baixa potência com tráfego clássico de alta potência dentro da mesma fibra monomodo de núcleo único. O principal impedimento em tais cenários de copropagação é o Espalhamento Raman Espontâneo (SpRS). Neste processo, fótons do sinal clássico são espalhados por um espectro amplo, gerando ruído que pode incidir na banda espectral do sinal quântico que copropaga. Embora existam modelos teóricos para o espalhamento Raman, eles frequentemente falham em capturar a estrutura espectral fina observada em fibras padrão sob condições realistas. Além disso, estudos experimentais anteriores frequentemente basearam-se em lasers de largura de linha estreita de laboratório ou arquiteturas de multiplexação espacial/temporal, que não refletem as restrições das infraestruturas de fibra urbana implantadas utilizando componentes comerciais prontos para uso.

Metodologia
Este trabalho investiga experimentalmente o ruído de SpRS na Banda C gerado por tráfego clássico na Banda O em um ambiente de fibra monomodo padrão. O estudo é conduzido utilizando o testbed National Quantum Internet.it na Universidade de Nápoles Federico II.

• Configuração Experimental: Os pesquisadores utilizaram transceivers ópticos SFP comerciais (especificamente módulos Finisar e Huawei) operando em 1310 nm (Banda O) como a fonte clássica. Diferente de estudos anteriores, não foi utilizada multiplexação espacial ou temporal; os sinais copropagaram simultaneamente.
• Filtragem e Isolamento: Para garantir a pureza do sinal, a configuração utilizou filtros WDM em cascata para isolar a fonte da Banda O e suprimir componentes fora da banda. No receptor, uma segunda cascata de WDM isolou a Banda C, seguida por um filtro sintonizável de banda estreita (largura de banda de 25 GHz) para varrer os canais ITU 15 a 63.
• Detecção: Os fótons de SpRS foram detectados usando um Detector de Fóton Único de Fio Supercondutor (SNSPD) operando a 2,2 K, alcançando uma eficiência de detecção de ~80% e uma taxa de contagem escura de ~100 cps.
• Variáveis: Os experimentos foram realizados sobre bobinas de fibra de comprimentos variados (100 m, 500 m e 5 km) para simular diferentes cenários urbanos. O estudo também comparou os resultados entre SFPs comerciais e um laser de linha estreita para avaliar a dependência da fonte.

Principais Contribuições e Modelagem
A principal contribuição deste trabalho é a derivação de um modelo preditivo compacto para o ruído de SpRS que é independente da fonte óptica específica utilizada.

• O Modelo: Os autores propõem um modelo para a taxa de contagem de SpRS ($C_{SpRS}$) como uma função da potência da fonte, comprimento da fibra e comprimento de onda:
  $$C_{SpRS}(S_{src}, \lambda, L) = S_{src} A(\lambda) \frac{e^{-\alpha_c L} - e^{-\alpha_o L}}{\alpha_o - \alpha_c}$$
  Aqui, $S_{src}$ é um fator de escala dependente da fonte, e o termo de atenuação contabiliza o comprimento de interação efetivo baseado nas perdas de fibra da Banda O ($\alpha_o$) e Banda C ($\alpha_c$).
• Perfil Espectral ($A(\lambda)$): Ao contrário dos modelos teóricos generalizados, o coeficiente de espalhamento Raman $A(\lambda)$ é modelado como um polinômio de quarto grau derivado diretamente de dados experimentais. Esta abordagem captura as variações espectrais específicas e as estruturas finas observadas no testbed.
• Validação: O modelo foi validado contra dados experimentais de três fontes distintas (dois SFPs comerciais e um laser) através de múltiplos comprimentos de fibra. O erro relativo entre o modelo e os dados experimentais foi encontrado como baixo (ex: 2,7% a 5,1% para 500 m e 5 km de comprimento), confirmando a robustez e a natureza agnóstica à fonte do modelo.

Resultos

• Identificação de Canal Ótimo: Os dados experimentais e o modelo derivado identificam consistentemente um mínimo espectral no ruído de SpRS em torno de 1535 nm (Canal ITU 44). Isso sugere que o Canal 44 é o canal da Banda C mais adequado para a transmissão de sinal quântico quando copropagando com tráfego clássico de 1310 nm.
• Impacto da Filtragem: O estudo demonstrou que o cascateamento de componentes WDM é essencial para isolar o sinal de interesse. Embora o aumento do número de WDMs introduza perda de inserção, ele reduz significativamente as flutuações de contagem e suprime efetivamente o ruído residual fora da banda.
• Independência da Fonte: O modelo previu com sucesso o comportamento de SpRS para diferentes fabricantes de hardware (Finisar vs. Huawei) e diferentes tipos de fonte (SFP comercial vs. laser de linha estreita), provando que o comportamento físico subjacente é capturado independentemente da arquitetura interna do emissor específico.
• Dependência de Comprimento: O modelo descreve com precisão a escala de ruído com o comprimento da fibra. Embora as desvios tenham sido ligeiramente mais pronunciados em comprimentos muito curtos (100 m), onde as contagens de Raman são menos significativas em relação ao ruído de fundo, a tendência global e a identificação do mínimo espectral permaneceram confiáveis.

Significância
O artigo postula que estes resultados pavimentam o caminho para uma descrição de parâmetros robusta para o espalhamento Raman aplicável a diversos sistemas baseados em fibra. Ao fornecer um modelo preditivo que não requer medições espectrais diretas para cada nova configuração, o trabalho oferece uma ferramenta prática para projetar e otimizar a coexistência quântica-clássica. Especificamente, permite a identificação de canais da Banda C ideais para alocação quântica que sejam menos afetados pelo ruído de SpRS proveniente do tráfego clássico da Banda O. Este é um passo fundamental para permitir a implantação em larga escala de redes quânticas sobre infraestruturas de fibra urbana existentes sem a necessidade de fibras escuras dedicadas.