Implementering af et kvantemetropolnetværk med 46 noder

Quantum key distribution (QKD) er en metode, der bruges til sikker eller hemmelig nøgleudveksling mellem to eksterne brugere. Ved hjælp af sikker kommunikation, cyberscientists i sidste ende sigter mod at etablere et globalt kvante netværk. Eksisterende felttest tyder på, at sådanne kvantenetværk er mulige. For at opnå et praktisk kvante netværk, flere udfordringer skal overvindes, herunder realisering af varierede topologier i stor skala, enkel netværksvedligeholdelse og robusthed over for nodefejl. I en ny rapport nu offentliggjort den Videnskab fremskridt , Teng-Yun Chen og et forskerhold i kvantefysik, kvanteinformation og tværfaglig informationsvidenskab i Kina, præsenteret en feltdrift af et kvantemetropolitan -net med 46 noder. De realiserede forskellige topologiske strukturer og drev netværket i 31 måneder via standardudstyr. De indså derefter QKD-parring og nøglehåndtering til sikker kommunikation, herunder telefontelefon i realtid, tekstbeskeder og filoverførsel med engangskryptering til understøttelse af 11 par brugere til at foretage samtidige lydopkald. Teknikken kan kombineres med en intercity kvante rygrad og via jord-satellit links til at danne et globalt kvante netværk.

Globalt kvante netværk

I dette arbejde, Chen et al. konstruerede et 46-node kvantemetropolnetområde i hele byen Hefei. Quantum key distribution (QKD) har i sidste ende til formål at konstruere et globalt kvantenetværk, hvor kommunikationstrafik har informationsteoretiske sikkerhedsgarantier. Et globalt QKD -netværk kan opretholde to typer links, herunder jordnetværket og satellitnetværket, hvor jordnettet yderligere kan opdeles i en rygrad, storby- og adgangsnetværk til at dække intercityafstand og fiber-til-hjemmeafstande. Forskere har undersøgt gennemførligheden af ​​QKD mellem to brugere gennem fri afstand over store afstande, telekommunikationsfibre og simulerede jord-satellitforbindelser. Eksempler på felttests af QKD-netværk, der allerede er realiseret, omfatter et tre-brugernetværk af DARPA, et netværk med seks noder i Europa, SwissQuantum-netværket samt et net med seks noder i Tokyo. Satellitnetværket gav en lovende metode til at realisere interkontinentale, sikker kommunikation som et resultat af lav transmissionsdæmpning i rummet, mens den fungerer som et pålideligt relæ til at forbinde eksterne brugernoder eller subnetværk. Forskere havde for nylig implementeret et stort satellitnetværk, der indeholder fire hovedstadsområder, et rygradnetværk og to satellitforbindelser. Imidlertid, disse QKD -eksperimenter og netværk er stadig foreløbige, teamet tog derfor fat på udfordringerne omkring realiseringen af ​​et stort praktisk QKD-netværk.

Chen et al. bygget et 46-node kvantemetropolnetværk til at forbinde 40 brugernoder, tre pålidelige relæer og tre optiske switche, i hele Hefei. Netværket dækkede hele byområdet og forbandt flere organisationer inden for bydelene, herunder regeringer, banker, hospitaler, og forskningsuniversiteter. De gennemgik først de grundlæggende topologiske strukturer i et netværk, hvor den mest robuste metode brugte en fuldt forbundet topologi, hvor hver bruger var direkte forbundet til hver anden bruger i netværket. Netværkstypen krævede ikke, at brugerne havde tillid til hinanden. Brugernoder kan også tilsluttes via en central switch i et stjernelignende netværk, hvor to brugere kan bygge sikre nøgler med et tilstrækkeligt antal pålidelige relæer. For eksempel, Shanghai-Beijing rygraden brugte denne teknik; imidlertid, ulempen er, at brugerne skal have tillid til relæet. Chen et al. konstrueret tre undernet i USTC, QuantumCTek og bybiblioteket, der er fordelt 15 km fra hinanden.

Netværkstopologi og standard QKD -udstyr

Forskerne indså to grundlæggende typer af topologiske forbindelsesstrukturer, herunder den fulde forbindelse mellem tre delnetværk og stjernelignende forbindelser til lokale adgangsnetværk. Under forsøgene, teamet brugte en optisk switch kendt som en betroet knude i midten af ​​det stjernelignende undernet. Ved hjælp af den betroede knude, de tildelte klassiske nøgler mellem brugere til at fungere som en klassisk router, mens de all-pass optiske switche fungerede som kvante-routere til at omfordele kvantesignaler. Baseret på opsætningen, to brugere kunne kommunikere direkte uden at forstyrre andre brugere. Chen et al. videreudviklede en type switchmodul omfattende fire input- og otte outputporte, den anden indeholdt en 16-port switch, der gjorde det muligt for otte par brugere at kommunikere samtidigt. Teamet brugte en protokol til at generere hemmelige nøgler mellem direkte tilsluttede brugere og pålidelige relæer. Hvis den ene bruger havde en kvantesender, og den anden havde en kvantemodtager, de kunne generere nøgler. Platformen indeholdt derfor to typer brugere; dem, der er direkte forbundet til en switch, der indeholder både en sender og modtager, og brugere, der er direkte forbundet til et pålideligt relæ med kun en kvantesender. Som resultat, forskerne brugte to typer udstyr; en til at transmittere signaler og en anden til at transmittere og modtage signaler på samme tid. Efter basisafstemning og fejlkorrektion, de standardiserede QKD -udstyret for i høj grad at reducere antallet af anvendte enheder.

Design af en switch -strategi:Applikationer og robusthed i netværket

Chen et al. udviklet en nøglehåndteringsproces for at give brugerne mulighed for at generere nøgler med høj prioritet. For at opnå dette, de designede en switch -strategi baseret på antallet af nøgler, der er gemt i de lokale minder for brugerne. De tilsluttede derefter en 16-port optisk switch til 16 brugere for at opnå i alt 120 mulige nøgleparringsordninger, hvorved to brugere kunne forbindes til QKD-processen i en skiftetid fra 10 til 60 minutter. For at deltage i netværket, en ny bruger skulle først sende en hjerterytme fra deres QKD -enhed til nøglehåndteringsserveren for godkendelse for derefter at sætte enheden i kø for at generere nøgler. Af hensyn til sikkerheden, holdet fulgte standard decoy-state BB84-sikkerhedsanalysen og genererede den hemmelige nøglehastighed for BB84-kvantnøglefordelingsprotokollen. Baseret på netværksapplikationen, brugerne brugte de genererede sikre nøgler til at overføre oplysninger med tillid. Brug af netværket, Chen et al. overført krypteret information, herunder telefontelefon i realtid, øjeblikkelig udveksling af beskeder, og digitale filer med en gangs pad-krypteringsmetode. Den samlede forsinkelse i krypteringsprocessen var mindre end 50 µs. Da forskerne testede netværkets kapacitet i 50 minutter, alle 22 brugere kunne samtidigt foretage opkald i seks minutter, inden for kvantenetværket. For at teste systemets stabilitet og robusthed, de løb løbende netværket i 31 måneder.

På denne måde, Teng-Yun Chen og kolleger udviklede et praktisk og storstilet metropolitan quantum key distribution (QKD) netværk med kommercielle QKD-produkter til praktisk brug i Hefei, Kina. Teamet kunne skalere kvantenetværket ved at tilføje flere brugere og relæer til at oprette forbindelse til Shanghai-Beijing rygraden som et nationalt netværk. Netværket kan også kombineres med andre QKD -protokoller for at overvinde fejl i måleenheder til effektiv og sikker kommunikation.

© 2021 Science X Network