Quantum Secure Direct Communication (QSDC) är en viktig gren av kvantkommunikation, baserat på principerna för kvantmekanik för direkt överföring av sekretessbelagd information. Medan nyligen bevisade principer har experimentella studier gjort anmärkningsvärda framsteg; QSDC -system återstår att implementeras i praktiken. I en nyligen genomförd studie Ruoyang Qi och medarbetare vid avdelningarna för lågdimensionell kvantfysik, informationsteknologi, elektronik och informationsteknik, föreslog och experimentellt genomfört ett praktiskt kvantsäkert kommunikationssystem.

I arbetet, Qi et al. analyserade systemets säkerhet med hjälp av Wyner -avlyssningskanalsteorin. Forskarna utvecklade ett kodningsschema med hjälp av sammanlänkade (sammanlänkade) lågdensitetsparitetskontrollkoder (LDPC) i en realistisk miljö med högt buller och stora förluster. Systemet fungerade med en repetitionshastighet på 1 MHz över ett avstånd på 1,5 kilometer och upprätthöll en säker kommunikationshastighet på 50 bps för att skicka textmeddelanden, lagom stora bilder och ljud. Resultaten publiceras nu i Ljus:Vetenskap och applikationer .

Arbetet av Qi et al. markerade en form av QSDC som kan överföra direkt information utan en distributionsnyckel för att förhindra sårbarhet för attacker. I arbetet, laget använde en 1550 nm laser för att generera enstaka fotoner som bar säker kvantinformation, forskarna lyckades avkoda informationen efter mottagandet. Metoden var tillförlitlig även i realistiska miljöer orsakade av hög fotonförlust eller fel som introducerats på grund av brus. Den vanliga LDPC-koden som de använde i studien för bättre felkorrigeringsprestanda implementerades av konsulatkommittén för rymddatasystem (CCDS) för jordnära och djupa rymdapplikationer.

Global säkerhet beror på säkra kommunikationsinfrastrukturer. För närvarande, kommunikation säkras via krypteringstekniker som RSA -systemet för offentliga nycklar. Sekretessförmågan definieras som överlägset över alla uppnåbara överföringshastigheter med säkerhet och tillförlitlighet. I praktiken, Det är svårt att uppskatta sekretessförmågan i klassiska kommunikationssystem på grund av svårigheten med avlyssningsdetektering. I kvantsystem, enstaka fotoner eller intrasslade fotonpar kan överföra digital information, ge upphov till nya funktioner inom kvantkryptografi, ouppnåelig i klassiska överföringsmedier. I princip, det är omöjligt att avlyssna utan att störa överföringen för att undvika upptäckt i en sådan inställning.

Det första kvantkommunikationsprotokollet föreslogs av Bennett och Brassard (BB84), baserat på att utnyttja kvantresurser för säker nyckelöverenskommelse. År 2000, QSDC föreslogs att kommunicera information direkt utan en hemlig nyckel och eliminera kryphål som är associerade med nyckellagring och kryptextattacker. Efterföljande principprövningsstudier har visat QSDC-baserade enstaka fotoner och intrasslade par, inklusive studier där en fiber kan kommunicera över ett meningsfullt avstånd på 500 m med hjälp av tvåstegs QSDC-protokoll.

I den aktuella studien, Qi et al. implementerat ett praktiskt kvantsäkert direktkommunikationssystem med ett förfarande baserat på DL04 -protokollet (utan nyckel). Enligt Wyner avlyssningsmodell, att implementera QSDC -systemet i praktiken, systemet bör fungera under kanalens sekretessförmåga för säker informationsöverföring. Forskarna uppskattade systemets sekretesskapacitet med hjälp av sammankopplade lågdensitetsparitetskontroller (LDPC) -koder. De utformade systemet för att specifikt fungera i regimer med hög förlust och hög felhastighet, unikt för kvantkommunikation. Qi et al. visade således att QSDC -plattformen effektivt kunde fungera i en realistisk miljö.

Vid implementering av DL04-QSDC-protokollet, forskarna inkluderade en diskret minneslös "huvudkanal" och en "avlyssningskanal". Huvudkanalen representerade nätverket mellan avsändaren och mottagaren. Avlyssningskanalen representerade nätverket mellan de legitima användarna och avlyssningen. Protokollet innehöll fyra steg:

1. Hypotetiskt, Bob är en legitim informationsmottagare som förbereder en sekvens av qubits. Varje qubit är slumpmässigt i ett av de fyra tillstånden (| 0> , | 1> , |+> och |-> ). Han skickar sedan tillståndssekvensen till informationssändaren Alice.
2. Vid mottagandet av den enkla fotonekvensen, Alice väljer slumpmässigt några av dem och mäter dem slumpmässigt. Hon publicerar positionerna, mätunderlaget och mätresultaten för de enskilda fotonerna. Bob jämför denna information med sina förberedelser av dessa tillstånd och uppskattar bitfelhastigheten för Bob-to-Alice-kanalen och informerar Alice via en sändningskanal. Alice kan sedan uppskatta den maximala sekretesskapaciteten (Cs) för Bob-to-Alice-kanalen med hjälp av avlyssningskanalsteorin.
3. Alice väljer en kodningssekvens för de återstående qubitsna. Detta schema är baserat på de sammankopplade LDPC -koderna. Hon konstruerar kodorden och returnerar dem tillbaka till Bob.
4. Bob avkodar Alices budskap från de signaler han fick efter att ha mätt qubitsna på samma grund som han förberedde. Om felfrekvensen understiger korrigeringsförmågan för LDPC -koden, överföringen är framgångsrik. De börjar sedan om från steg 1 för att skicka en annan del av det hemliga meddelandet tills de överför hela meddelandet helt. Om felfrekvensen är större än korrigeringskapaciteten för LDPC -koden, varken Bob eller avlyssnaren Eve kan få information, i så fall avslutar de processen.

Qi et al. använde starkt dämpade lasrar som en ungefärlig enkelfotonkälla i implementeringen. För bättre approximation av en enda fotonkälla för att upptäcka avlyssningsattacker, en metod för fördelning av kvantnyckelfördelning kan användas. Om sekretessförmågan inte är noll för någon avlyssningskanal, dvs. om den legitima mottagaren har en bättre kanal än avlyssningen, det finns något kodningsschema som uppnår perfekt sekretess enligt Wyner -modellen. Dock, inte alla kodningssystem kan garantera säkerheten, som i huvudsak beror på detaljerna i kodningen.

Forskarna implementerade sedan schemat i ett fibersystem med faskodning, för kvantkommunikation över långa avstånd. I denna inställning, Bob förbereder en sekvens av enkelfotonpulser, efter polariseringskontroll och dämpning, pulserna bereds som slumpmässiga qubits och skickas till Alice webbplats genom en 1,5 km lång fiber. Vid ankomsten till Alice webbplats, den är uppdelad i två delar, där den ena går till kodningsmodulen och den andra till kontrollmodulen för felkontroll, styrs av fältprogrammerbara grindmatriser (FPGA) i installationen.

Samtidigt sker kodning i kodningsmodulen. Om felfrekvensen är mindre än tröskeln, kodningsdelen får skicka de enskilda fotonerna tillbaka till Bob via samma fiber, där de styrs till enstaka foton detektorer för mätning. Forskarna kontrollerade installationen bestående av tre fasmodulatorer (PM) och enkelfotondetektorer (SPD) för att koda meddelanden på de två platserna med hjälp av FPGA:erna, som ytterligare styrdes av överlägsna datorer.

I de experimentella resultaten, forskarna representerade den ömsesidiga informationen mot förlusten av systemet som två raka linjer. Området mellan dessa två linjer bildade det informationsteoretiska säkra området. Som ett resultat, för ett kodningsschema med en informationshastighet inom det angivna området, säkerheten kan garanteras på ett tillförlitligt sätt. Med hjälp av den experimentella installationen, Qi et al. uppnått en säker informationshastighet på 50 bps, väl inom det definierade säkra området.

Forskarna illustrerade ett kodningsschema för att garantera överföringens tillförlitlighet för QSDC baserat på sammankopplade LDPC -koder. Förbearbetning baserades på universella hashfamiljer (UHF). I processen, för varje meddelande (m), avsändaren Alice genererar en lokal sekvens av slumpmässiga bitar (r) och offentliga slumpmässiga frön. Nästa, hon kartlägger till en vektor (u) genom inversen av en lämpligt vald UHF (UHF ^-1 ), som sedan ändras med LDPC -kod till (v), mappas till kodord (c) och skickas till mottagarens webbplats.

Inom informationsteori, kodningssatsen för bullriga kanaler upprättar tillförlitlig kommunikation för varje given grad av brusförorening av en kommunikationskanal. För att säkerställa informationens tillförlitlighet, Alice modulerar pulserna som når den legitima mottagaren Bob, som gör mätningar på samma grund som han förberett dem. På grund av förlust och fel, Bob får ett försämrat kodord, som han demappar och avkodar efter efterbehandling med UHF för att få meddelandet.

På det här sättet, Qi et al. implementerat ett praktiskt QSDC -system i en realistisk miljö med högt ljud och stora förluster. Bland andra tekniker, forskarna använde en LDPC -kod för att minska fel och förlust i systemet. De analyserade systemets säkerhet på djupet med hjälp av Wyner -avlyssningskanalsteorin. När sekretessförmågan inte var noll; ett kodningsschema med en informationshastighet som är mindre än sekretessförmågan säkerställde både säkerheten och tillförlitligheten hos informationsöverföringen. Totalt, forskarna fick en säker informationshastighet på 50 bps på ett praktiskt taget meningsfullt avstånd på 1,5 km. Qi et al. innebära att dessa parametrar är för tidiga och föreställer sig ett förbättrat system som kan integrera befintlig teknik för en högre hastighet på dussintals kbps informationsöverföring i framtiden.

© 2019 Science X Network