Implementering af et praktisk kvantesikkert direkte kommunikationssystem

Quantum secure direct communication (QSDC) er en vigtig gren af ​​kvantekommunikation, baseret på kvantemekanikkens principper til direkte transmission af klassificeret information. Mens nyere proof-of-princip eksperimentelle undersøgelser har gjort bemærkelsesværdige fremskridt; QSDC-systemer mangler at blive implementeret i praksis. I en nylig undersøgelse, Ruoyang Qi og kolleger ved afdelingerne for lavdimensionel kvantefysik, Informationsteknologi, elektronik og informationsteknik, foreslået og eksperimentelt implementeret et praktisk kvantesikkert kommunikationssystem.

I arbejdet, Qi et al. analyseret systemets sikkerhed ved hjælp af Wyner-aflytningskanalteorien. Forskerne udviklede et kodningsskema ved hjælp af sammenkædning (sammenkoblede) LDPC-koder (low-density parity-check) i et realistisk miljø med høj støj og store tab. Systemet fungerede med en gentagelseshastighed på 1 MHz over en afstand på 1,5 kilometer og opretholdt en sikker kommunikationshastighed på 50 bps til at sende tekstbeskeder, rimelig størrelse billeder og lyde. Resultaterne er nu offentliggjort i Lys:Videnskab og applikationer .

Arbejdet af Qi et al. fremhævet en form for QSDC, der kan overføre direkte information uden en distributionsnøgle for at forhindre sårbarhed over for angreb. I arbejdet, holdet brugte en 1550 nm laser til at generere enkelte fotoner, der bar sikker kvanteinformation, forskerne var i stand til at afkode informationen ved modtagelse. Metoden var pålidelig selv i realistiske miljøer forårsaget af højt fotontab eller fejl introduceret på grund af støj. Standard LDPC-koden, som de brugte i undersøgelsen til bedre fejlkorrektion, blev implementeret af Consulate Committee for Space Data Systems (CCDS) til nær-jorden og deep-space-applikationer.

Global sikkerhed afhænger af sikre kommunikationsinfrastrukturer. På nuværende tidspunkt kommunikation er sikret via krypteringsteknikker såsom RSA offentlige nøgleskema. Hemmeligholdelseskapaciteten er defineret som det højeste af alle opnåelige transmissionshastigheder med sikkerhed og pålidelighed. I praksis, det er vanskeligt at estimere hemmeligholdelseskapaciteten i klassiske kommunikationssystemer på grund af vanskeligheden med aflytning. I kvantesystemer, enkelte fotoner eller sammenfiltrede fotonpar kan transmittere digital information, giver anledning til nye funktioner inden for kvantekryptografi, uopnåelige i klassiske transmissionsmedier. I princippet, det er umuligt at aflytte uden at forstyrre transmissionen for at undgå detektering i sådan en opsætning.

Den første kvantekommunikationsprotokol blev foreslået af Bennett og Brassard (BB84), baseret på udnyttelse af kvanteressourcer til sikker nøgleaftale. I 2000, QSDC blev foreslået til at kommunikere information direkte uden en hemmelig nøgle og eliminere smuthuller forbundet med nøglelagring og chiffertekstangreb. Efterfølgende proof-of-principle undersøgelser har vist QSDC-baserede enkeltfotoner og sammenfiltrede par, herunder undersøgelser, hvor en fiber kunne kommunikere over en meningsfuld afstand på 500 m ved hjælp af to-trins QSDC-protokoller.

I nærværende undersøgelse, Qi et al. implementeret et praktisk kvantesikkert direkte kommunikationssystem ved hjælp af en procedure baseret på DL04-protokollen (uden nøgle). Ifølge Wyner-aflytningsmodellen, at implementere QSDC-systemet i praksis, systemet bør fungere under kanalens hemmeligholdelseskapacitet for sikker informationstransmission. Forskerne estimerede systemets hemmeligholdelseskapacitet ved hjælp af sammenkoblede LDPC-koder (low-density parity check). De designede ordningen til specifikt at fungere i regimer med høje tab og høj fejlrate, unik for kvantekommunikation. Qi et al. demonstrerede således, at QSDC-platformen effektivt kunne fungere i et realistisk miljø.

Når du implementerer DL04-QSDC-protokollen, videnskabsmændene inkluderede en diskret hukommelsesløs 'hovedkanal' og en 'aflytningskanal'. Hovedkanalen repræsenterede netværket mellem afsender og modtager. Aflytningskanalen repræsenterede netværket mellem de legitime brugere og aflytteren. Protokollen indeholdt fire trin:

1. Hypotetisk set, Bob er en legitim informationsmodtager, der forbereder en sekvens af qubits. Hver qubit er tilfældigt i en af ​​de fire tilstande (|0> , |1> , |+> og |-> ). Han sender derefter rækkefølgen af ​​tilstande til informationsafsenderen Alice.
2. Ved modtagelse af den enkelte fotonsekvens, Alice vælger tilfældigt nogle af dem og måler dem tilfældigt. Hun offentliggør stillingerne, målegrundlaget og måleresultaterne for de enkelte fotoner. Bob sammenligner disse oplysninger med sine forberedelser af disse tilstande og estimerer bitfejlfrekvensen for Bob-to-Alice-kanalen og informerer Alice gennem en broadcast-kanal. Alice kan derefter estimere den maksimale hemmeligholdelseskapacitet (Cs) for Bob-to-Alice-kanalen ved hjælp af aflytningskanalteorien.
3. Alice vælger en kodningssekvens for de resterende qubits. Denne ordning er baseret på de indbyrdes forbundne LDPC-koder. Hun konstruerer kodeordene og returnerer dem tilbage til Bob.
4. Bob afkoder Alices besked fra de signaler, han modtog efter at have målt qubits på samme grundlag, som han forberedte. Hvis fejlraten er under LDPC-kodens korrektionsevne, transmissionen er vellykket. De starter derefter igen fra trin 1 med at sende en anden del af den hemmelige besked, indtil de fuldstændigt transmitterer hele beskeden. Hvis fejlraten er større end LDPC-kodens korrektionskapacitet, hverken Bob eller aflytteren Eve kan få oplysninger, i så fald afslutter de processen.

Qi et al. brugte stærkt svækkede lasere som en omtrentlig enkeltfotonkilde i implementeringen. For bedre tilnærmelse af en enkelt fotonkilde til at detektere aflytningsangreb, en lokketilstand kvantenøglefordelingsmetode kan bruges. Hvis hemmeligholdelseskapaciteten ikke er nul for en aflytningskanal, dvs. hvis den legitime modtager har en bedre kanal end aflytteren, der eksisterer en eller anden kodeordning, der opnår perfekt hemmeligholdelse i henhold til Wyner-modellen. Imidlertid, ikke alle kodningssystemer kan garantere sikkerheden, hvilket i det væsentlige afhænger af detaljerne i kodningen.

Forskerne implementerede derefter ordningen i et fibersystem med fasekodning, til kvantekommunikation over lange afstande. I denne opsætning, Bob forbereder en sekvens af enkeltfotonimpulser, efter polarisationskontrol og dæmpning, impulserne forberedes som tilfældige qubits og sendes til Alice's site gennem en 1,5 km lang fiber. Ved ankomsten til Alices websted, det er opdelt i to dele, hvor den ene går til indkodningsmodulet og den anden til kontrolmodulet for fejlkontrol, styret af feltprogrammerbare gate-arrays (FPGA'er) i opsætningen.

Samtidig indkodning sker i indkodningsmodulet. Hvis fejlprocenten er mindre end tærsklen, kodningsdelen får lov til at sende de enkelte fotoner tilbage til Bob via den samme fiber, hvor de ledes til enkeltfotondetektorer til måling. Forskerne styrede opsætningen bestående af trefasemodulatorer (PM) og enkeltfotondetektorer (SPD) til at kode meddelelser på de to steder ved hjælp af FPGA'er, som yderligere blev styret af computere i øverste position.

I forsøgsresultaterne, videnskabsmændene repræsenterede den gensidige information versus tabet af systemet som to lige linjer. Området mellem disse to linjer dannede det informationsteoretiske sikre område. Som resultat, for et kodningsskema med en informationshastighed inden for det angivne område, sikkerheden kunne garanteres pålideligt. Ved at bruge den eksperimentelle opsætning, Qi et al. opnåede en sikker informationshastighed på 50 bps, godt inden for det afgrænsede sikre område.

Forskerne illustrerede et kodningsskema for at garantere pålideligheden af ​​transmissionen for QSDC baseret på indbyrdes forbundne LDPC-koder. Forbehandling var baseret på universelle hashing-familier (UHF). I processen, for hver besked (m), afsenderen Alice genererer en lokal sekvens af tilfældige bit (r) og offentlige tilfældige frø (s). Næste, hun afbildes til en vektor (u) ved det inverse af en passende valgt UHF (UHF ^-1 ), som derefter ændres af LDPC-kode til (v), kortlagt til kodeord (c) og sendt til modtagerens websted.

I informationsteori, støjkanal-kodningssætningen etablerer pålidelig kommunikation for enhver given grad af støjkontamination af en kommunikationskanal. For at sikre pålideligheden af ​​oplysningerne, Alice modulerer de impulser, der når den legitime modtager Bob, der foretager målinger på samme grundlag som han udarbejdede dem. På grund af tab og fejl, Bob modtager et forringet kodeord, som han afkorter og afkoder efter efterbehandling med UHF for at få beskeden.

På denne måde Qi et al. implementeret et praktisk QSDC-system i et realistisk miljø med høj støj og højt tab. Blandt andre teknikker, forskerne brugte en LDPC-kode til at reducere fejl og tab i systemet. De analyserede systemets sikkerhed i dybden ved hjælp af Wyner-aflytningskanalteorien. Når hemmeligholdelseskapaciteten var ikke-nul; en kodeordning med en informationshastighed mindre end hemmeligholdelseskapaciteten sikrede både sikkerhed og pålidelighed af informationstransmissionen. I alt, forskerne opnåede en sikker informationshastighed på 50 bps ved en praktisk talt meningsfuld afstand på 1,5 km. Qi et al. antyder, at disse parametre er for tidlige og forestiller sig et forbedret system, der kan integrere den eksisterende teknologi for en højere hastighed på snesevis af kbps informationstransmission i fremtiden.

© 2019 Science X Network