Langdistance og sikker kvantnøglefordeling (QKD) over en ledig kanal

Quantum key distribution (QKD) er en teknik, der muliggør sikker kommunikation mellem enheder ved hjælp af en kryptografisk protokol, der delvist er baseret på kvantemekanik. Denne kommunikationsmetode giver i sidste ende to parter mulighed for at kryptere og dekryptere meddelelser, de sender til hinanden ved hjælp af en unik nøgle, der er ukendt for andre parter.

Måleudstyrsuafhængig kvantnøglefordeling (MDI-QKD) er en unik protokol, der letter oprettelsen af ​​mere sikre QKD-netværk med upålidelige enheder. Denne protokol kan muliggøre QKD-baseret kommunikation over længere afstande, samt højere nøgleproduktionshastigheder og mere pålidelig netværksverifikation.

Indtil nu, MDI-QKD er kun blevet implementeret med succes ved hjælp af fiberoptik. Implementering af protokollen på tværs af ledige kanaler, på den anden side, har vist sig betydeligt udfordrende.

En forskningsgruppe ledet af Jian-Wei Pan, fra University of Science and Technology i Kina, har for nylig demonstreret langdistance og sikker MDI-QKD over en ledig plads-kanal for allerførste gang. Deres papir, udgivet i Fysisk gennemgangsbreve , kunne bane vejen til satellitbaserede MDI-QKD-implementeringer.

"Det endelige mål med QKD er at realisere et globalt kvantesikkert kommunikationsnetværk, "Qiang Zhang, en af ​​forskerne, der gennemførte undersøgelsen, fortalte Phys.org. "For at nå dette ambitiøse mål, to hovedudfordringer skal tages op. Den ene er at reducere kløften mellem teori og praksis for QKD, og den anden er at forlænge QKD's afstand. Målet med vores seneste arbejde var at løse disse to vanskeligheder. "

Teoretisk set QKD tilbyder større sikkerhed i kommunikation, der udnytter fysiklove. Imidlertid, ufuldkommenheder og sårbarheder ved reelle enheder kan resultere i afvigelser fra de modeller, der bruges til at udføre sikkerhedsanalyser. MDI-QKD-protokollen kan hjælpe med at tackle denne udfordring ved at lukke alle smuthuller ved påvisning på én gang. I øvrigt, det kan forbedre ydeevnen og sikkerheden ved QKD -implementeringer på rigtige enheder, ved at inkludere lokkestater.

Satellitbaserede QKD-implementeringer kan forlænge afstanden, over hvilken denne sikre kommunikation kan finde sted, da de ville muliggøre lavere transmissionstab og ubetydelig dekoherens i rummet. Ved at udvide MDI-QKD fra fibre til ledige kanaler, arbejdet fra Pan og hans kolleger kunne være et første skridt i retning af at implementere MDI-QKD-protokoller i stor skala ved hjælp af satellitter.

"Selvom flere fiberbaserede MDI-QKD-eksperimenter er blevet udført før vores undersøgelse, ingen af ​​dem har demonstreret gennemførligheden af ​​protokollen med en ledig plads-kanal, "Zhang sagde." Hovedårsagen er, at amplituden og fasefluktuationen forårsaget af atmosfærisk turbulens gør det svært at opretholde skelnen mellem rumlige, timing og spektrale tilstande mellem uafhængige fotoner. "

Da atmosfærisk turbulens typisk ødelægger den rumlige tilstand mellem uafhængige fotoner, MDI-QKD implementeringer kræver typisk brug af single-mode fiber til at udføre rumlig filtrering, før der anvendes interferometri teknikker. Brug af single-mode fiber til at koble fotoner, imidlertid, generelt fører til en lav koblingseffektivitet og intensitetsudsving. For at løse dette problem, forskerne udviklede et nyt adaptivt optiksystem, der forbedrer kanalens samlede effektivitet.

"Da den hurtige udsving i lysintensiteten gør det svært at dele tidsfrekvensreferencen, vi udviklede nye teknologier til at opnå højpræcisions tidssynkronisering og frekvenslåsning mellem uafhængige fotonkilder placeret langt fra hinanden for at opretholde tidsforskel og spektraltilstande, der ikke kan skelnes, "Forklarede Zhang." Takket være disse tekniske gennembrud, vi gennemførte en opgave, der virkede umulig at gennemføre før. "

Undersøgelsen er en vigtig milepæl på vejen mod at implementere QKD i stor skala og bruge den til at sikre kommunikation over længere afstande. I øvrigt, forskerne var de første til at indse fotoninterferens i atmosfæriske kanaler over lange afstande. Dette kan åbne spændende muligheder for udvikling af komplekse former for kvanteinformationsbehandling, der involverer kvanteinterferens, såsom kvanteindviklingsbytte og kvanteteleportation. Det kan også tilbyde nye måder at teste grænsefladen mellem kvantemekanik og tyngdekraft.

Forskernes langsigtede mål er at demonstrere satellitbaseret MDI-QKD og til sidst at opbygge et globalt kvantenetværk. For at opnå dette, imidlertid, de bliver først nødt til at overvinde en række yderligere udfordringer.

"En af disse udfordringer er det høje tab hovedsageligt forårsaget af atmosfæriske udsving, "Zhang forklaret." I den mest ligefremme konfiguration af satellitbaseret MDI-QKD, en satellit spiller rollen som detektionsterminalen (dvs. to jordstationer sender fotoner via 'op-linket' til satellitten). Kanaltabet målt af Micius -satellitten er omkring 41 ~ 52 dB fra en jordstation med en højde på 5, 100 miles. Tabet vil sandsynligvis være meget højere fra jordstationer i lavere højde. Single mode fiberkoblingseffektiviteten er en anden kilde til tab, hvilket også er meget vigtigt med eksisterende MDI-QKD-systemer. "

For at muliggøre effektive satellitbaserede MDI-QKD-implementeringer, derfor, forskerne skal først fremme eksisterende metoder til at transportere fotoner på tværs af ledige rumkanaler. At gøre dette, de har hidtil udviklet et adaptivt optiksystem og en algoritme, der øger effektiviteten af ​​ledige rumkanaler. I deres næste undersøgelser, de planlægger at oprette andre algoritmer og teknikker til forbedring af den samlede transmissionskanal.

"Den anden udfordring, vi håber at overvinde, er forbundet med bevægelse af satellitter, "Zhang tilføjet." Da signalimpulserne forventes at overlappe hinanden i tidsdomænet på detektionsterminalen, der kræves en meget præcis forudsigelse af en satellits bane, og emissionstiden for hver kodet puls bør også være nøjagtigt timet, så de endelig kan overlappe godt i detektionsterminalen. Doppler -frekvensforskydningen, på den anden side, er en vigtig kilde til frekvensfejl, der er irriterende for HOM -interferens. Frekvensen af ​​hver kodet puls bør også nøjagtigt forskydes for kompensation. Efter at have løst alle disse tekniske udfordringer, vi tror på, at vi vil være i stand til at realisere satellitbaseret MDI-QKD. "

© 2021 Science X Network