Quantum Secure Direct Communication (QSDC) is een belangrijke tak van kwantumcommunicatie, gebaseerd op de principes van de kwantummechanica voor de directe overdracht van geclassificeerde informatie. Terwijl recente proof-of-principle experimentele studies opmerkelijke vooruitgang hebben geboekt; QSDC-systemen moeten nog in de praktijk worden geïmplementeerd. In een recente studie, Ruoyang Qi en medewerkers van de afdelingen laagdimensionale kwantumfysica, informatie Technologie, elektronica en informatietechniek, een praktisch kwantumveilig communicatiesysteem voorgesteld en experimenteel geïmplementeerd.

In productie, Qi et al. analyseerde de beveiliging van het systeem met behulp van de Wyner wiretap channel-theorie. De wetenschappers ontwikkelden een coderingsschema met behulp van aaneengeschakelde (onderling verbonden) low-density parity-check (LDPC) codes in een realistische omgeving met veel ruis en hoge verliezen. Het systeem werkte met een herhalingssnelheid van 1 MHz over een afstand van 1,5 kilometer en handhaafde een veilige communicatiesnelheid van 50 bps om sms-berichten te verzenden, redelijk grote beelden en geluiden. De resultaten zijn nu gepubliceerd in Licht:wetenschap en toepassingen .

Het werk van Qi et al. benadrukte een vorm van QSDC die directe informatie kan overdragen zonder een distributiesleutel om kwetsbaarheid voor aanvallen te voorkomen. In productie, het team gebruikte een laser van 1550 nm om enkele fotonen te genereren die veilige kwantuminformatie droegen, de wetenschappers waren in staat om de informatie na ontvangst met succes te decoderen. De methode was betrouwbaar, zelfs in realistische omgevingen die werden veroorzaakt door hoog fotonverlies of fouten veroorzaakt door ruis. De standaard LDPC-code die ze in het onderzoek gebruikten voor betere foutcorrectieprestaties, werd geïmplementeerd door het Consulate Committee for Space Data Systems (CCDS) voor near-earth en deep-space-toepassingen.

Wereldwijde beveiliging is afhankelijk van veilige communicatie-infrastructuren. Momenteel, communicatie is beveiligd via encryptietechnieken zoals het RSA public key-schema. De geheimhoudingscapaciteit wordt gedefinieerd als het supremum van alle haalbare transmissiesnelheden met veiligheid en betrouwbaarheid. In praktijk, het is moeilijk om de geheimhoudingscapaciteit in klassieke communicatiesystemen in te schatten vanwege de moeilijkheid met afluisterdetectie. In kwantumsystemen, enkele fotonen of verstrengelde fotonparen kunnen digitale informatie verzenden, die aanleiding geven tot nieuwe functies in kwantumcryptografie, onbereikbaar in klassieke transmissiemedia. In principe, het is onmogelijk om af te luisteren zonder de transmissie te verstoren om detectie in een dergelijke opstelling te voorkomen.

Het eerste kwantumcommunicatieprotocol werd voorgesteld door Bennett en Brassard (BB84), gebaseerd op het benutten van kwantumbronnen voor veilige sleutelovereenkomsten. In 2000, QSDC werd voorgesteld om informatie rechtstreeks te communiceren zonder een geheime sleutel en om mazen te elimineren die verband houden met sleutelopslag en cijfertekstaanvallen. Daaropvolgende proof-of-principle-onderzoeken hebben op QSDC gebaseerde enkele fotonen en verstrengelde paren aangetoond, inclusief studies waarbij een vezel kon communiceren over een betekenisvolle afstand van 500 m met behulp van tweestaps QSDC-protocollen.

In de huidige studie, Qi et al. een praktisch kwantumveilig direct communicatiesysteem geïmplementeerd met behulp van een procedure op basis van het DL04-protocol (zonder sleutel). Volgens het Wyner-aftapmodel om het QSDC-systeem in de praktijk te implementeren, het systeem zou onder de geheimhoudingscapaciteit van het kanaal moeten werken voor veilige informatieoverdracht. De wetenschappers schatten de geheimhoudingscapaciteit van het systeem met behulp van onderling verbonden low-density parity check (LDPC) codes. Ze ontwierpen het schema om specifiek te werken in regimes met veel verlies en een hoog foutenpercentage, uniek voor kwantumcommunicatie. Qi et al. aldus gedemonstreerd dat het QSDC-platform effectief zou kunnen functioneren in een realistische omgeving.

Bij het implementeren van het DL04-QSDC-protocol, de wetenschappers omvatten een afzonderlijk geheugenloos 'hoofdkanaal' en een 'aftapkanaal'. Het hoofdkanaal vertegenwoordigde het netwerk tussen de zender en de ontvanger. Het aftapkanaal vertegenwoordigde het netwerk tussen de legitieme gebruikers en de afluisteraar. Het protocol bevatte vier stappen:

1. Hypothetisch, Bob is een legitieme informatieontvanger die een reeks qubits voorbereidt. Elke qubit bevindt zich willekeurig in een van de vier toestanden (|0> , |1> , |+> en |-> ). Vervolgens stuurt hij de reeks toestanden naar de informatiezender Alice.
2. Na ontvangst van de enkele fotonreeks, Alice kiest er willekeurig enkele uit en meet ze willekeurig. Ze publiceert de functies, de meetbasis en meetresultaten van die enkele fotonen. Bob vergelijkt deze informatie met zijn voorbereidingen van deze toestanden en schat de bit-error rate van het Bob-to-Alice-kanaal en informeert Alice via een uitzendkanaal. Alice kan dan de maximale geheimhoudingscapaciteit (Cs) van het Bob-to-Alice-kanaal schatten met behulp van de wiretap-kanaaltheorie.
3. Alice kiest een coderende volgorde voor de resterende qubits. Dit schema is gebaseerd op de onderling verbonden LDPC-codes. Ze construeert de codewoorden en geeft ze terug aan Bob.
4. Bob decodeert het bericht van Alice uit de signalen die hij ontving na het meten van de qubits in dezelfde basis als hij had voorbereid. Als het foutenpercentage lager is dan het corrigerende vermogen van de LDPC-code, de verzending is gelukt. Ze beginnen dan opnieuw vanaf stap 1 om een ​​ander deel van het geheime bericht te verzenden totdat ze het hele bericht volledig hebben verzonden. Als het foutenpercentage groter is dan het corrigerende vermogen van de LDPC-code, noch Bob, noch de afluisteraar Eve kunnen informatie krijgen, in dat geval beëindigen ze het proces.

Qi et al. gebruikte sterk verzwakte lasers als een benaderende single-photon source in de implementatie. Voor een betere benadering van een enkele fotonbron om afluisteraanvallen te detecteren, een loktoestand kwantumsleuteldistributiemethode kan worden gebruikt. Als de geheimhoudingscapaciteit niet nul is voor een afluisterkanaal, d.w.z. als de legitieme ontvanger een beter kanaal heeft dan de afluisteraar, er bestaat een coderingsschema dat een perfecte geheimhouding bereikt volgens het Wyner-model. Echter, niet alle coderingsschema's kunnen de veiligheid garanderen, die in wezen afhangt van de details van de codering.

De wetenschappers implementeerden het schema vervolgens in een vezelsysteem met fasecodering, voor kwantumcommunicatie over lange afstanden. In deze opstelling, Bob bereidt een reeks enkelvoudige fotonpulsen voor, na polarisatiecontrole en demping, de pulsen worden voorbereid als willekeurige qubits en via een 1,5 km lange vezel naar Alice's site gestuurd. Bij aankomst op de site van Alice, het is verdeeld in twee delen, waarbij de ene naar de codeermodule gaat en de andere naar de regelmodule voor foutcontrole, bestuurd door veldprogrammeerbare poortarrays (FPGA's) in de opstelling.

Tegelijkertijd vindt codering plaats in de coderingsmodule. Als het foutenpercentage kleiner is dan de drempel, het coderingsgedeelte mag de enkele fotonen via dezelfde vezel terugsturen naar Bob, waar ze voor metingen naar enkele fotondetectoren worden geleid. De wetenschappers controleerden de opstelling bestaande uit driefasemodulatoren (PM) en enkele fotondetectoren (SPD) om berichten op de twee locaties te coderen met behulp van de FPGA's, die verder werden bestuurd door computers op de bovenste positie.

In de experimentele resultaten, de wetenschappers stelden de onderlinge informatie versus het verlies van het systeem voor als twee rechte lijnen. Het gebied tussen deze twee lijnen vormde het informatietheoretisch beveiligde gebied. Als resultaat, voor een coderingsschema met een informatiesnelheid binnen het gespecificeerde gebied, de veiligheid betrouwbaar kon worden gegarandeerd. Met behulp van de experimentele opstelling, Qi et al. bereikte een veilige informatiesnelheid van 50 bps, ruim binnen het gedefinieerde beveiligde gebied.

De wetenschappers illustreerden een coderingsschema om de betrouwbaarheid van de transmissie voor QSDC te garanderen op basis van onderling verbonden LDPC-codes. Voorbewerking was gebaseerd op universele hashing families (UHF). In het proces, voor elk bericht (m), de afzender Alice genereert een lokale reeks van willekeurige bit (r) en openbare willekeurige zaad (s). Volgende, ze wijst naar een vector (u) door de inverse van een geschikt gekozen UHF (UHF ^-1 ), die vervolgens door LDPC-code wordt gewijzigd in (v), toegewezen aan codewoord (c) en verzonden naar de site van de ontvanger.

In de informatietheorie de coderingsstelling met ruiskanalen zorgt voor betrouwbare communicatie voor elke bepaalde mate van ruisvervuiling van een communicatiekanaal. Om de betrouwbaarheid van de informatie te waarborgen, Alice moduleert de pulsen die de legitieme ontvanger Bob bereiken, die metingen doet in dezelfde basis als hij ze heeft voorbereid. Door verlies en fout, Bob ontvangt een gedegradeerd codewoord, die hij demapt en decodeert na nabewerking met UHF om het bericht te verkrijgen.

Op deze manier, Qi et al. implementeerde een praktisch QSDC-systeem in een realistische omgeving met veel ruis en veel verlies. Onder andere technieken, de wetenschappers gebruikten een LDPC-code om fouten en verlies in het systeem te verminderen. Ze analyseerden de beveiliging van het systeem grondig met behulp van de Wyner-aftapkanaaltheorie. Wanneer de geheimhoudingscapaciteit niet nul was; een coderingsschema met een informatiesnelheid lager dan de geheimhoudingscapaciteit zorgde voor zowel de veiligheid als de betrouwbaarheid van de informatieoverdracht. In totaal, de wetenschappers verkregen een veilige informatiesnelheid van 50 bps op een praktisch zinvolle afstand van 1,5 km. Qi et al. impliceren dat deze parameters voorbarig zijn en een verbeterd systeem voor ogen hebben dat de bestaande technologie kan integreren voor een hogere snelheid van tientallen kbps informatieoverdracht in de toekomst.

© 2019 Wetenschap X Netwerk