Внедрение практической квантовой безопасной системы прямой связи

Настройка эксперимента. Лазер 1550 нм с частотой следования импульсов 1 МГц. В экспериментальной установке вы можете выбрать одну из двух возможных задач: проверка ошибок или кодирование. Обе стороны управляют полевыми программируемыми матрицами затворов (ПЛИС), и работа над этим осуществляется с помощью коммерческого модулятора. PM фазовый модулятор. Контроллер поляризации ПК. PBS поляризационный светоделитель. ATT аттенюатор. CIR оптический циркулятор. ФК волоконный ответвитель. СПД сверхпроводящий нанопроволочный однофотонный детектор с эффективностью обнаружения 70%, частотой счета 100 Гц и временем сброса 50 нс. Фильтрующий элемент с сохранением поляризации PMFC. FR ротара Фарадея. 

Квантовая безопасная прямая связь (QSDC) является важной ветвью квантовой коммуникации, основанной на принципах квантовой механики для прямой передачи секретной информации. В то время как недавние экспериментальные исследования с доказательством принципа добились значительного прогресса; Системы QSDC еще предстоит внедрить в практику. В недавнем исследовании Руоян Ци и его коллеги из отделов низкоразмерной квантовой физики, информационных технологий, электроники и информационной инженерии предложили и экспериментально внедрили практическую систему квантовой защищенной связи.

В работе Qi et al. проанализировал безопасность системы, используя теорию каналов прослушивания Wyner. Ученые разработали схему кодирования с использованием конкатенационных (взаимосвязанных) кодов с проверкой четности низкой плотности (LDPC) в реалистичной среде с высоким уровнем шума и высокими потерями. Система работала с частотой повторения 1 МГц на расстоянии 1,5 км и поддерживала безопасную скорость связи 50 бит / с для отправки текстовых сообщений, изображений и звуков разумного размера. Результаты теперь опубликованы в Light: Science & Applications.

Работа Ци и соавт. выделена форма QSDC, которая может передавать прямую информацию без ключа распространения для предотвращения уязвимости к атакам. В работе команда использовала лазер на 1550 нм для генерации одиночных фотонов, которые несут безопасную квантовую информацию, ученые смогли успешно расшифровать информацию при получении. Этот метод был надежным даже в реальных условиях, вызванных высокими потерями фотонов или ошибками, вызванными шумом. Стандартный код LDPC, который они использовали в исследовании для повышения эффективности исправления ошибок, был реализован Консульским комитетом по системам космических данных (CCDS) для применений в околоземном и дальнем космосе.

Глобальная безопасность зависит от защищенных коммуникационных инфраструктур. В настоящее время связь защищена с помощью методов шифрования, таких как схема открытого ключа RSA. Емкость секретности определяется как супремум всех достижимых скоростей передачи с безопасностью и надежностью. На практике трудно оценить способность секретности в классических системах связи из-за сложности обнаружения подслушивания. В квантовых системах одиночные фотоны или запутанные фотонные пары могут передавать цифровую информацию, создавая новые возможности в квантовой криптографии, недоступные в классических средах передачи. В принципе, невозможно подслушать, не нарушая передачу, чтобы избежать обнаружения при такой настройке.

Первый протокол квантовой связи был предложен Беннеттом и Брассардом (BB84), основанный на использовании квантовых ресурсов для согласования ключей безопасности. В 2000 году QSDC было предложено передавать информацию напрямую без секретного ключа и устранять лазейки, связанные с хранением ключей и атаками шифротекста. Последующие исследования с целью подтверждения принципа продемонстрировали основанные на QSDC одиночные фотоны и запутанные пары, включая исследования, в которых оптоволокно могло обмениваться данными на значительном расстоянии 500 м с использованием двухступенчатых протоколов QSDC.

Иллюстрация практического протокола DL04-QSDC. «Основной канал» и «канал прослушивания» являются дискретными источниками без памяти. Канал прослушивания представляет канал между отправителем и перехватчиком

В настоящем исследовании Qi et al. реализовал практическую квантовую защищенную систему прямой связи с использованием процедуры, основанной на протоколе DL04 (без ключа) . Согласно модели прослушивания телефонных разговоров Уайнера, для практической реализации системы QSDC система должна работать с пропускной способностью канала для безопасной передачи информации. Ученые оценили секретность системы, используя взаимосвязанные коды контроля четности низкой плотности (LDPC). Они разработали схему, специально предназначенную для режимов с высокими потерями и частотой ошибок, уникальных для квантовой связи. Ци и соавт. Таким образом, продемонстрировано, что платформа QSDC может эффективно функционировать в реалистичной среде.

При реализации протокола DL04-QSDC ученые включили дискретный «основной канал» без памяти и «канал прослушивания». Основной канал представлял сеть между отправителем и получателем. Канал прослушивания представляет собой сеть между законными пользователями и перехватчиком. Протокол содержал четыре шага:

  1. Гипотетически, Боб является законным получателем информации, который готовит последовательность кубитов. Каждый кубит случайно находится в одном из четырех состояний (| 0>, | 1>, | +> и | ->). Затем он отправляет последовательность состояний отправителю информации Алисе.
  2. Получив однофотонную последовательность, Алиса случайным образом выбирает некоторые из них и измеряет их случайным образом. Она публикует позиции, базу измерения и результаты измерений этих одиночных фотонов. Боб сравнивает эту информацию с подготовкой этих состояний и оценивает частоту ошибок по битам канала Боб-Алиса и сообщает Алисе через широковещательный канал. Затем Алиса может оценить максимальную емкость секретности (Cs) канала Боб-Алиса, используя теорию канала прослушивания.
  3. Алиса выбирает кодирующую последовательность для оставшихся кубитов. Эта схема основана на взаимосвязанных кодах LDPC. Она создает кодовые слова и возвращает их Бобу.
  4. Боб декодирует сообщение Алисы из сигналов, которые он получил после измерения кубитов на том же основании, что и он. Если частота ошибок ниже корректирующей способности кода LDPC, передача успешна. Затем они начинают снова с шага 1, чтобы отправить другую часть секретного сообщения, пока они полностью не передадут все сообщение. Если частота ошибок превышает корректирующую способность кода LDPC, ни Боб, ни Evedropper Eve не могут получить информацию, и в этом случае они завершают процесс.

Ци и соавт. использовали высоко ослабленные лазеры в качестве приближенного однофотонного источника при реализации. Для лучшей аппроксимации одного источника фотонов для обнаружения атак подслушивания может использоваться метод квантового ключа распределения состояния приманки . Если емкость секретности не равна нулю для какого-либо канала прослушивания, т. Е. Если законный приемник имеет лучший канал, чем перехватчик, существует некоторая схема кодирования, которая обеспечивает идеальную секретность в соответствии с моделью Уайнера. Однако не все схемы кодирования могут гарантировать безопасность, которая по существу зависит от деталей кодирования.

Слева: экспериментальная установка. Справочник: система координат с различными блоками сообщений. ex и ez - коэффициенты ошибок измерений с использованием X-base и Z-based соответственно на сайте Алисы. e - уровень ошибок на сайте Боба. Частота ошибок была оценена блок за блоком; каждый блок содержит 1312 × 830 импульсов. Среднее количество фотонов составляет 0,1. Собственные потери квантового канала составляют 14,5 дБ, что включает в себя КПД детектора ~ 70% и оптических элементов ~ 13 дБ. Общая потеря системы составляет 25,1 дБ на расстоянии 1,5 км

Затем ученые реализовали схему в волоконно-оптической системе с фазовым кодированием для квантовой связи на большие расстояния. В этой установке Боб готовит последовательность однофотонных импульсов, после контроля поляризации и ослабления импульсы подготавливаются в виде случайных кубитов и отправляются на участок Алисы через волокно длиной 1,5 км. По прибытии на сайт Алисы он разделяется на две части, одна из которых направляется в модуль кодирования, а другая — в модуль управления для проверки ошибок, управляемой полевыми программируемыми матрицами затворов (FPGA) в настройке.

Одновременно происходит кодирование в модуле кодирования. Если частота ошибок меньше, чем пороговое значение, части кодирования разрешается отправлять одиночные фотоны обратно Бобу через то же волокно, где они направляются на детекторы одиночных фотонов для измерения. Ученые контролировали установку, состоящую из трехфазных модуляторов (PM) и однофотонных детекторов (SPD) для кодирования сообщений на двух объектах с использованием FPGA, которые в дальнейшем контролировались компьютерами верхнего положения.

Сплошная линия представляет взаимную информацию между Алисой и Бобом; скорость передачи не может превышать пропускную способность основного канала. Пунктирная линия - это взаимная информация между Алисой и Евой, максимальная информация, которая может получить перехватчик. Символы представляют экспериментальные результаты. Вместе с выбранным кодом LDPC схема кодирования дает скорость передачи 0,00096, когда частота ошибок по битам меньше 10 ^ -6. Скорость передачи информации гарантирована

В экспериментальных результатах ученые представили взаимную информацию против потери системы как две прямые линии. Область между этими двумя линиями сформировала информационную теоретическую защищенную область. В результате для схемы кодирования со скоростью передачи информации в пределах указанной области безопасность может быть надежно гарантирована. Используя экспериментальную установку, Qi et al. достиг безопасной скорости передачи данных 50 бит / с, что находится в пределах определенной защищенной области.

Иллюстрация схемы кодирования. UHF-1 для вас, а затем с помощью кода LDPC на V, который отображается на кодовом слове и затем отправляется на сайт получателя. Потеря и ошибки получателя Боб получает улучшенное кодовое слово, после чего он восстанавливает, обрабатывает и получает сообщение после выполнения универсального хэширования семейств UHF.

Ученые проиллюстрировали схему кодирования, чтобы гарантировать надежность передачи для QSDC на основе взаимосвязанных кодов LDPC. Предварительная обработка была основана на универсальных семействах хеширования (UHF). При этом для каждого сообщения (m) отправитель Алиса генерирует локальную последовательность случайного бита (r) и общедоступного случайного начального (ых) начального (ых) кода (ов). Затем она сопоставляется с вектором (u) путем инверсии соответственно выбранного UHF (UHF -1 ), который затем изменяется кодом LDPC на (v), отображается на кодовое слово (c) и отправляется на сайт получателя.

В теории информации теорема о кодировании с шумовым каналом устанавливает надежную связь для любой заданной степени шумового загрязнения канала связи. Чтобы обеспечить достоверность информации, Алиса модулирует импульсы, которые достигают законного приемника Боба, который производит измерения на той же основе, что и он, подготовив их. Из-за потери и ошибки Боб получает ухудшенное кодовое слово, которое он преобразует и декодирует после постобработки с помощью УВЧ, чтобы получить сообщение.

Таким образом, Qi et al. реализовал практическую систему QSDC в реалистичной среде с высоким уровнем шума и большими потерями. Среди других методов ученые использовали код LDPC для уменьшения ошибок и потерь в системе. Они глубоко проанализировали безопасность системы, используя теорию канальных прослушиваний Уайнера. Когда секретность была ненулевой; схема кодирования со скоростью передачи информации, меньшей емкости секретности, обеспечивала как безопасность, так и надежность передачи информации. В целом ученые получили безопасную скорость передачи данных 50 бит / с на практически значимом расстоянии 1,5 км. Ци и соавт. подразумевают, что эти параметры являются преждевременными и предусматривают усовершенствованную систему, которая может интегрировать существующую технологию для более высокой скорости передачи информации в десятки кбит / с в будущем.

Источник информации https://phys.org/news/2019-02-quantum.html

Тимеркаев Борис — 68-летний доктор физико-математических наук, профессор из России. Он является заведующим кафедрой общей физики в Казанском национальном исследовательском техническом университете имени А. Н. ТУПОЛЕВА — КАИ

comments powered by HyperComments
Оценки статьи:
1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (Пока оценок нет)
Загрузка...