全光量子中继器的速率-距离权衡与资源开销

我们给出了使用光子源、线性光学、光子探测器和经典前馈但无量子存储器的全光量子中继器的资源-性能权衡。我们证明量子安全密钥率具有形式 $R(\eta) = D\eta^s$ 每模式比特，其中 $\eta$ 为端到端信道透射率，常数 $D$ 和 $s$ 是各种器件低效与资源约束(如每个中继节点可用光子源数目)的函数。即使使用有损器件，我们证明可能达到 $s < 1$，进而超越无量子中继器可达的最大密钥率 $R_{\rm direct}(\eta) = -\log_2(1-\eta) \approx (1/\ln 2)\eta$ 每模式比特(对于 $\eta \ll 1$)，在超过某总距离 $L$ 时，其中光纤中 $\eta \sim e^{-\alpha L}$。我们还提出了一系列对最近提出的全光中继器协议的修改，我们的协议基于该协议，其减少了在中继器处创建光子簇所需的光子源数目，从而超越 $R_{\rm direct}(\eta)$，从每中继节点 $\sim 10^{11}$ 降至 $\sim 10^{6}$ 个光子源。我们展示中继节点间的最优间距与总距离 $L$ 无关，对于我们关于各种器件损耗的假设约为 $1.5$ km。