Forskere tager kvantekryptering ud af laboratoriet

I en ny undersøgelse, forskere demonstrerer en automatiseret, let-at-betjente kvantenøgledistribution (QKD) system ved hjælp af fibernetværket i byen Padua, Italien. Felttesten repræsenterer et vigtigt skridt hen imod implementering af denne meget sikre kvantekommunikationsteknologi ved hjælp af den type kommunikationsnetværk, der allerede findes i mange regioner rundt om i verden.

QKD tilbyder uigennemtrængelig kryptering til datakommunikation, fordi den bruger lysets kvanteegenskaber til at generere sikre tilfældige nøgler til kryptering og dekryptering af data.

"QKD kan være nyttig i enhver situation, hvor sikkerhed er altafgørende, fordi det giver ubetinget sikkerhed for nøgleudvekslingsprocessen, "sagde Marco Avesani fra Università degli Studi di Padova i Italien, co-første forfatter af den nye undersøgelse med Luca Calderaro og Giulio Foletto. "Det kan bruges til at kryptere og autentificere sundhedsdata sendt mellem hospitaler eller pengeoverførsler mellem banker, for eksempel."

I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik bogstaver , forskere under ledelse af Paolo Villoresi og Giuseppe Vallone rapporterer, at deres enkle system er stabilt over tid og kan generere kvantesikre kryptografiske nøgler til vedvarende hastigheder over en standard telekommunikationsinfrastruktur.

"QKD-systemer kræver normalt et komplekst stabiliseringssystem og yderligere dedikeret synkroniseringshardware, " sagde Avesani. "Vi udviklede et komplet QKD-system, der kan forbindes direkte med standard telekommunikationsudstyr og ikke kræver yderligere hardware til synkronisering. Systemet passer let ind i de rack -kabinetter, der normalt findes i serverrum. "

Design af et brugervenligt system

For at producere de kvantetilstande, der kræves af QKD, forskerne udviklede en ny encoder til manipulation af polarisering af enkelte fotoner. Indkoderen, som forskerne kalder iPOGNAC, giver en fast og stabil polarisationsreference, der ikke kræver hyppig rekalibrering. Denne funktion er også fordelagtig til frirums- og satellitkvantekommunikation, hvor rekalibreringer er svære at udføre.

"På grund af den teknologi, vi udviklede, kilden var klar til at producere kvantetilstande, da vi flyttede vores system fra laboratoriet til stedet for feltforsøget, " sagde Calderaro. "Vi behøvede ikke at udføre det langsomme, og ofte tilbøjelige til at fejle, justeringsprocedure påkrævet for de fleste QKD-systemer."

Forskerne udviklede også en ny synkroniseringsalgoritme, som de kalder

Qubit4Sync, at synkronisere de to QKD-brugeres maskiner. I stedet for at bruge dedikeret ekstra hardware og en ekstra frekvenskanal til synkronisering, det nye system bruger software og de samme optiske signaler, der bruges til QKD. Dette gør systemet mindre, billigere, og nemmere at integrere i et eksisterende optisk netværk.

For at teste det nye system, forskerne bragte deres to QKD-terminaler til to universitetsbygninger omkring 3,4 km fra hinanden i forskellige dele af Padua. De koblede systemerne til to underjordiske optiske fibre, der er en del af universitetets kommunikationsnetværk. Disse fibre understøttede kvantekanalens bærende qubits og den klassiske kanal, der var nødvendig for at overføre supplerende information.

Et kvantesikret videoopkald

"Feltforsøget var vellykket, "sagde Foletto." Vi viste, at vores enkle system kan producere hemmelige nøgler med hastigheder på kilobit pr. sekund, og at det fungerer uden for laboratoriet med lidt menneskelig indgriben. Det var også nemt og hurtigt at installere."

I en offentlig demonstration, forskerne brugte deres opsætning til at muliggøre et kvantesikret videoopkald mellem rektor for University of Padua og direktøren for Matematisk afdeling. Forskerne bemærker, at systemets ydeevne er sammenlignelig med andre kommercielle QKD-systemer med hensyn til hemmelig nøglegenereringshastighed, samtidig med at det har færre komponenter og er lettere at integrere i et eksisterende fibernetværk.

De arbejder på at reducere størrelsen af ​​detektionsapparatet og på at gøre systemet mere robust over for støj fra andet lys, der rejser i den samme fiber. Bestræbelserne på at udvikle et komplet og selvstændigt QKD-system førte til oprettelsen af ​​et spin-off firma kaldet ThinkQuantum s.r.l. som arbejder på at kommercialisere denne teknologi.