Quantum key distribution (QKD) is een techniek die veilige communicatie tussen apparaten mogelijk maakt met behulp van een cryptografisch protocol dat deels is gebaseerd op kwantummechanica. Deze communicatiemethode stelt uiteindelijk twee partijen in staat om berichten die ze naar elkaar sturen te versleutelen en ontsleutelen met behulp van een unieke sleutel die onbekend is voor andere partijen.

Meetapparaat-onafhankelijke kwantumsleuteldistributie (MDI-QKD) is een uniek protocol dat het creëren van veiligere QKD-netwerken met niet-vertrouwde apparaten mogelijk maakt. Dit protocol kan QKD-gebaseerde communicatie over langere afstanden mogelijk maken, evenals hogere sleutelproductiesnelheden en betrouwbaardere netwerkverificatie.

Tot dusver, MDI-QKD is alleen succesvol geïmplementeerd met behulp van glasvezel. Implementatie van het protocol over kanalen met vrije ruimte, anderzijds, aanzienlijk uitdagend is gebleken.

Een onderzoeksgroep onder leiding van Jian-Wei Pan, van de Universiteit voor Wetenschap en Technologie in China, heeft onlangs voor de allereerste keer langeafstands- en veilige MDI-QKD aangetoond via een free-space-kanaal. hun papier, gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , zou de weg kunnen effenen voor op satellieten gebaseerde MDI-QKD-implementaties.

"Het uiteindelijke doel van QKD is het realiseren van een wereldwijd kwantumveilig communicatienetwerk, "Qiang Zhang, een van de onderzoekers die het onderzoek heeft uitgevoerd, vertelde Phys.org. "Om dit ambitieuze doel te bereiken, twee belangrijke uitdagingen moeten worden aangepakt. Een daarvan is om de kloof tussen theorie en praktijk van QKD te verkleinen, en de andere is om de afstand van QKD uit te breiden. Het doel van ons recente werk was om deze twee problemen op te lossen."

theoretisch, QKD biedt meer veiligheid in communicatie door gebruik te maken van natuurkundige wetten. Echter, onvolkomenheden en kwetsbaarheden van echte apparaten kunnen leiden tot afwijkingen van de modellen die worden gebruikt om beveiligingsanalyses uit te voeren. Het MDI-QKD-protocol kan helpen om deze uitdaging aan te gaan door alle mazen bij detectie in één keer te dichten. Bovendien, het kan de prestaties en beveiliging van QKD-implementaties op echte apparaten verbeteren, door lokstaten op te nemen.

Op satellieten gebaseerde QKD-implementaties zouden de afstand waarover deze beveiligde communicatie kan plaatsvinden kunnen vergroten, omdat ze lagere transmissieverliezen en verwaarloosbare decoherentie in de ruimte mogelijk zouden maken. Door MDI-QKD uit te breiden van glasvezel naar kanalen in de vrije ruimte, het werk van Pan en zijn collega's zou een eerste stap kunnen zijn in de richting van het op grote schaal implementeren van MDI-QKD-protocollen met behulp van satellieten.

"Hoewel er vóór onze studie verschillende op vezels gebaseerde MDI-QKD-experimenten zijn uitgevoerd, geen van hen heeft de haalbaarheid van het protocol met een kanaal met vrije ruimte aangetoond, "Zei Zhang. "De belangrijkste reden is dat de amplitude- en fasefluctuatie die wordt veroorzaakt door atmosferische turbulentie het moeilijk maakt om de niet-onderscheidbaarheid in termen van ruimtelijk, timing en spectrale modi tussen onafhankelijke fotonen."

Aangezien atmosferische turbulentie typisch de ruimtelijke modus tussen onafhankelijke fotonen vernietigt, MDI-QKD-implementaties vereisen doorgaans het gebruik van single-mode glasvezel om ruimtelijke filtering uit te voeren voordat interferometrietechnieken worden toegepast. Single-mode glasvezel gebruiken om fotonen te koppelen, echter, leidt over het algemeen tot een lage koppelingsefficiëntie en intensiteitsfluctuatie. Om dit probleem op te lossen, de onderzoekers ontwikkelden een nieuw adaptief optisch systeem dat de algehele efficiëntie van het kanaal verbetert.

"Omdat de snelle fluctuatie van de lichtintensiteit het delen van de tijd-frequentiereferentie moeilijk maakt, we hebben nieuwe technologieën ontwikkeld om zeer nauwkeurige tijdsynchronisatie en frequentievergrendeling te bereiken tussen onafhankelijke fotonbronnen die ver uit elkaar liggen om de ononderscheidbaarheid van de timing en spectrale modi te behouden, " legde Zhang uit. "Dankzij deze technische doorbraken, we hebben een taak voltooid die voorheen onmogelijk leek te voltooien."

De studie is een belangrijke mijlpaal op weg naar de implementatie van QKD op grote schaal en het gebruik ervan om communicatie over langere afstanden te beveiligen. Bovendien, de onderzoekers waren de eersten die fotoninterferentie realiseerden in atmosferische kanalen over lange afstand. Dit zou opwindende mogelijkheden kunnen bieden voor de ontwikkeling van complexe soorten kwantuminformatieverwerking met kwantuminterferentie, zoals kwantumverstrengeling swapping en kwantumteleportatie. Het zou ook nieuwe manieren kunnen bieden om de interface van kwantummechanica en zwaartekracht te testen.

Het langetermijndoel van de onderzoekers is het demonstreren van op satellieten gebaseerde MDI-QKD en uiteindelijk het bouwen van een wereldwijd kwantumnetwerk. Om dit te behalen, echter, ze zullen eerst een aantal extra uitdagingen moeten overwinnen.

"Een van deze uitdagingen is het hoge verlies dat voornamelijk wordt veroorzaakt door de atmosferische fluctuatie, " legde Zhang uit. "In de meest eenvoudige configuratie van op satelliet gebaseerde MDI-QKD, een satelliet speelt de rol van de detectieterminal (d.w.z. twee grondstations sturen via de 'up-link' fotonen naar de satelliet). Het kanaalverlies gemeten door de Micius-satelliet is ongeveer 41 ~ 52 dB van een grondstation met een hoogte van 5, 100 mijl. Het verlies is waarschijnlijk veel groter vanaf grondstations op een lagere hoogte. De efficiëntie van de single-mode vezelkoppeling is een andere bron van verlies, wat ook erg belangrijk is met bestaande MDI-QKD-systemen."

Om effectieve satellietgebaseerde MDI-QKD-implementaties mogelijk te maken, daarom, de onderzoekers zullen eerst bestaande methoden moeten verbeteren om fotonen over kanalen in de vrije ruimte te transporteren. Om dit te doen, ze hebben tot nu toe een adaptief optisch systeem en een algoritme ontwikkeld dat de efficiëntie van kanalen in de vrije ruimte verhoogt. In hun volgende studies, ze zijn van plan andere algoritmen en technieken te creëren om het algehele transmissiekanaal te verbeteren.

"De tweede uitdaging die we hopen te overwinnen, houdt verband met de beweging van satellieten, " voegde Zhang toe. "Omdat de signaalpulsen naar verwachting zullen overlappen in het tijdsdomein bij de detectieterminal, een zeer nauwkeurige voorspelling van de baan van een satelliet is vereist, en de emissietijd van elke gecodeerde puls moet ook nauwkeurig worden getimed, zodat ze elkaar uiteindelijk goed kunnen overlappen in de detectieterminal. De Doppler-frequentieverschuiving, anderzijds, is een belangrijke bron van frequentiemismatch die vervelend is voor HOM-interferentie. De frequentie van elke gecodeerde puls moet ook nauwkeurig worden verschoven voor compensatie. Na het oplossen van al deze technische uitdagingen, we geloven dat we in staat zullen zijn om satellietgebaseerde MDI-QKD te realiseren."

© 2021 Science X Network