Quantum key distribution (QKD) is een methode die wordt gebruikt voor veilige of geheime sleuteluitwisselingen tussen twee externe gebruikers. Door gebruik te maken van beveiligde communicatie, cyberwetenschappers streven uiteindelijk naar een wereldwijd kwantumnetwerk. Bestaande veldtesten suggereren dat dergelijke kwantumnetwerken haalbaar zijn. Om tot een praktisch kwantumnetwerk te komen, verschillende uitdagingen moeten worden overwonnen, waaronder de realisatie van gevarieerde topologieën op grote schaal, eenvoudig netwerkonderhoud en robuustheid tegen knooppuntstoringen. In een nieuw rapport dat nu is gepubliceerd op wetenschappelijke vooruitgang , Teng-Yun Chen en een onderzoeksteam in de kwantumfysica, kwantuminformatie en interdisciplinaire informatiewetenschappen in China, presenteerde een veldoperatie van een kwantumgrootstedelijk netwerk met 46 knooppunten. Ze realiseerden diverse topologische structuren en lieten het netwerk 31 maanden draaien via standaardapparatuur. Vervolgens realiseerden ze QKD-koppeling en sleutelbeheer voor veilige communicatie, inclusief realtime spraaktelefoons, tekstberichten en bestandsoverdracht met one-time pad-encryptie om 11 gebruikersparen te ondersteunen om gelijktijdig audiogesprekken te voeren. De techniek kan worden gecombineerd met een intercity-quantumbackbone en via grondsatellietverbindingen om een ​​wereldwijd kwantumnetwerk te vormen.

Wereldwijd kwantumnetwerk

In dit werk, Chen et al. bouwde een 46-node quantum metropolitaan gebied netwerk door de hele stad Hefei. Quantum key distribution (QKD) heeft uiteindelijk tot doel een wereldwijd kwantumnetwerk te bouwen waar communicatieverkeer informatietheoretische veiligheidsgaranties heeft. Een wereldwijd QKD-netwerk kan twee soorten verbindingen onderhouden, waaronder het grondnetwerk en het satellietnetwerk, waarbij het grondnetwerk verder kan worden opgedeeld in een backbone, grootstedelijke en toegangsnetwerken om intercity-afstanden en glasvezel-naar-huisafstanden te overbruggen. Onderzoekers hebben de haalbaarheid van de QKD tussen twee gebruikers bestudeerd via vrije ruimte over lange afstand, telecomvezels en gesimuleerde grond-satellietverbindingen. Voorbeelden van de praktijktesten van QKD-netwerken die al zijn gerealiseerd, zijn een netwerk met drie gebruikers door DARPA, een netwerk met zes knooppunten in Europa, het SwissQuantum-netwerk en een mesh-type netwerk met zes knooppunten in Tokio. Het satellietnetwerk bood een veelbelovende methode om intercontinentale, veilige communicatie als resultaat van lage transmissieverzwakking in de ruimte, terwijl het dient als een vertrouwd relais om externe gebruikersknooppunten of subnetwerken te verbinden. Wetenschappers hadden onlangs een grootschalig satellietnetwerk geïmplementeerd met vier metropoolnetwerken, een backbone-netwerk en twee satelliet-grondverbindingen. Echter, deze QKD-experimenten en -netwerken zijn nog voorlopig, het team ging daarom de uitdagingen aan rond de realisatie van een grootschalig praktisch QKD-netwerk.

Chen et al. bouwde een 46-node quantum metropolitan-area netwerk om 40 gebruikersnodes te verbinden, drie vertrouwde relais en drie optische schakelaars, in Hefei. Het netwerk dekte het hele stedelijke gebied en verbond verschillende organisaties binnen de stadsdelen, waaronder overheden, banken, ziekenhuizen, en onderzoeksuniversiteiten. Ze beoordeelden eerst de basistopologische structuren in een netwerk waarbij de meest robuuste methode gebruikmaakte van een volledig verbonden topologie waarbij elke gebruiker rechtstreeks was verbonden met elke andere gebruiker in het netwerk. Het type netwerk vereiste niet dat de gebruikers elkaar moesten vertrouwen. Gebruikersknooppunten kunnen ook via een centrale switch in een sterachtig netwerk worden aangesloten, waar twee gebruikers veilige sleutels kunnen bouwen met een voldoende aantal vertrouwde relais. Bijvoorbeeld, de ruggengraat van Shanghai-Beijing gebruikte deze techniek; echter, het nadeel is dat de gebruikers het relais moeten vertrouwen. Chen et al. bouwde drie subnetwerken in USTC, QuantumCTek en de Stadsbibliotheek die 15 km uit elkaar liggen.

Netwerktopologie en standaard QKD-apparatuur

De onderzoekers realiseerden twee basistypen topologische verbindingsstructuren, waaronder de volledige verbinding tussen drie subnetwerken en sterachtige verbindingen voor lokale toegangsnetwerken. Tijdens de experimenten, het team gebruikte een optische switch die bekend staat als een vertrouwd knooppunt in het midden van het sterachtige subnetwerk. Met behulp van het vertrouwde knooppunt, ze hebben klassieke sleutels tussen gebruikers toegewezen om als een klassieke router te functioneren, terwijl de all-pass optische schakelaars fungeerden als kwantumrouters om kwantumsignalen te herverdelen. Op basis van de opstelling, twee willekeurige gebruikers kunnen rechtstreeks communiceren zonder andere gebruikers te hinderen. Chen et al. een type schakelmodule verder ontwikkeld met vier ingangs- en acht uitgangspoorten, de andere bevatte een 16-poorts switch waarmee acht gebruikersparen gelijktijdig konden communiceren. Het team gebruikte een protocol om geheime sleutels te genereren tussen direct verbonden gebruikers en vertrouwde relais. Als de ene gebruiker een kwantumzender had en de andere een kwantumontvanger, ze zouden sleutels kunnen genereren. Het platform bevatte dus twee soorten gebruikers; die rechtstreeks zijn aangesloten op een schakelaar die zowel een zender als een ontvanger bevat, en gebruikers die rechtstreeks zijn aangesloten op een vertrouwd relais met alleen een kwantumzender. Als resultaat, de wetenschappers gebruikten twee soorten apparatuur; een om signalen te verzenden en een andere om tegelijkertijd signalen te verzenden en te ontvangen. Na basisafstemming en foutcorrectie, ze hebben de QKD-apparatuur gestandaardiseerd om het aantal gebruikte apparaten sterk te verminderen.

Ontwerpen van een schakelstrategie:toepassingen en robuustheid van het netwerk

Chen et al. een sleutelbeheerproces ontwikkeld waarmee gebruikers sleutels met hoge prioriteit kunnen genereren. Om dit te bereiken, ze ontwierpen een schakelstrategie op basis van het aantal sleutels dat voor de gebruikers in de lokale geheugens is opgeslagen. Vervolgens sloten ze een 16-poorts optische switch aan op 16 gebruikers om een ​​totaal van 120 mogelijke key-pairing-schema's te verkrijgen waarmee twee gebruikers konden worden verbonden voor het QKD-proces voor een schakeltijd variërend van 10 tot 60 minuten. Om lid te worden van het netwerk, een nieuwe gebruiker moest eerst een hartslagframe van zijn QKD-apparaat naar de sleutelbeheerserver sturen voor authenticatie om vervolgens het apparaat te vragen om sleutels te genereren. Voor Veiligheid, het team volgde de standaard decoy-state BB84-beveiligingsanalyse en genereerde de geheime sleutelsnelheid van het BB84-quantumsleuteldistributieprotocol. Op basis van de toepassing van het netwerk, de gebruikers maakten gebruik van de gegenereerde beveiligde sleutels om vertrouwelijk informatie over te dragen. Met behulp van het netwerk, Chen et al. verzonden gecodeerde informatie, inclusief realtime spraaktelefoon, instant messaging, en digitale bestanden met de one-time pad-coderingsmethode. De totale vertraging in het versleutelingsproces was minder dan 50 µs. Toen de onderzoekers de capaciteit van het netwerk 50 minuten testten, alle 22 gebruikers konden tegelijkertijd zes minuten lang bellen, binnen het kwantumnetwerk. Om de stabiliteit en robuustheid van het systeem te testen, ze hebben het netwerk 31 maanden onafgebroken gerund.

Op deze manier, Teng-Yun Chen en collega's hebben een praktisch en grootschalig grootstedelijk netwerk voor kwantumsleuteldistributie (QKD) ontwikkeld met commerciële QKD-producten voor praktisch gebruik in Hefei, China. Het team zou het kwantumnetwerk kunnen schalen door meer gebruikers en relais toe te voegen om verbinding te maken met de Shanghai-Beijing-backbone als een nationaal netwerk. Het netwerk kan ook worden gecombineerd met andere QKD-protocollen om onvolkomenheden van meetapparatuur te verhelpen voor efficiënte en veilige communicatie.

© 2021 Science X Network