En konceptfigur av MDI-QKD-experimentet i en stad. Teleskop finns i höghus för överföring av kodade fotoner. Atmosfärens turbulens, som finns överallt i överföringskanalen, är den största utmaningen för fotonerna att upprätthålla det spatiala läget i detektionsterminalen. Kredit:Yao Zheng/Micius Salon.
Quantum key distribution (QKD) är en teknik som möjliggör säker kommunikation mellan enheter med hjälp av ett kryptografiskt protokoll som delvis är baserat på kvantmekanik. Denna kommunikationsmetod tillåter slutligen två parter att kryptera och dekryptera meddelanden de skickar till varandra med hjälp av en unik nyckel som är okänd för andra parter.
Mätenhetsoberoende kvantnyckeldistribution (MDI-QKD) är ett unikt protokoll som underlättar skapandet av säkrare QKD-nätverk med opålitliga enheter. Detta protokoll kan möjliggöra QKD-baserad kommunikation över längre avstånd, såväl som högre nyckelproduktionshastigheter och mer tillförlitlig nätverksverifiering.
Än så länge, MDI-QKD har endast framgångsrikt implementerats med fiberoptik. Implementering av protokollet över lediga utrymmeskanaler, å andra sidan, har visat sig vara mycket utmanande.
En forskargrupp ledd av Jian-Wei Pan, från University of Science and Technology i Kina, har nyligen visat långdistans och säker MDI-QKD över en ledig kanal för första gången. Deras papper, publiceras i Fysiska granskningsbrev , kan bana väg för satellitbaserade MDI-QKD-implementeringar.
"Det slutliga målet med QKD är att förverkliga ett globalt kvantsäkrat kommunikationsnätverk, "Qiang Zhang, en av forskarna som genomförde studien, berättade för Phys.org. "För att uppnå detta ambitiösa mål, två huvudutmaningar måste lösas. En är att minska klyftan mellan teori och praktik av QKD, och den andra är att förlänga avståndet för QKD. Målet med vårt senaste arbete var att lösa dessa två svårigheter. "
Teoretiskt sett, QKD erbjuder större säkerhet i kommunikation med hjälp av fysiklagar. Dock, brister och sårbarheter hos verkliga enheter kan leda till avvikelser från modellerna som används för att utföra säkerhetsanalyser. MDI-QKD-protokollet kan hjälpa till att tackla denna utmaning genom att täppa till alla kryphål vid upptäckt på en gång. Dessutom, det kan förbättra prestandan och säkerheten för QKD-implementeringar på riktiga enheter, genom att inkludera lokkestater.
Satellitbaserade QKD-implementeringar kan förlänga avståndet över vilken denna säkra kommunikation kan äga rum, eftersom de skulle möjliggöra lägre överföringsförluster och försumbar dekoherens i rymden. Genom att utöka MDI-QKD från fiber till lediga kanaler, arbetet av Pan och hans kollegor kan vara ett första steg mot att implementera MDI-QKD-protokoll i stor skala med hjälp av satelliter.
Möjliga konfigurationer av satellitbaserad MDI-QKD. (a) satelliten spelar rollen som detekteringsterminal, medan två markstationer skickar fotoner via upplänken till satelliten. (b) En markstation spelar rollen som detekteringsterminal. Användare i det markfiberbaserade nätet delar hemliga nycklar med satelliten via markstationen. (c) MDI-QKD mellan tre satelliter. Kredit:Cao et al.
"Även om flera fiberbaserade MDI-QKD-experiment har utförts innan vår studie, ingen av dem har visat genomförbarheten av protokollet med en kanal för ledigt utrymme, " sade Zhang. "Den främsta anledningen är att amplituden och fasfluktuationerna som induceras av atmosfärisk turbulens gör det svårt att upprätthålla oskiljbarheten i termer av rumslig, timing och spektrallägen mellan oberoende fotoner."
Eftersom atmosfärisk turbulens vanligtvis förstör det rumsliga läget mellan oberoende fotoner, MDI-QKD-implementeringar kräver vanligtvis användning av enfunktionsfiber för att utföra rumslig filtrering innan interferometri används. Använda enfunktionsfiber för att koppla ihop fotoner, dock, leder i allmänhet till låg kopplingseffektivitet och intensitetsfluktuation. För att lösa det här problemet, forskarna utvecklade ett nytt adaptivt optiksystem som förbättrar kanalens totala effektivitet.
"Eftersom den snabba fluktuationen av ljusintensiteten gör det svårt att dela tids-frekvensreferensen, vi utvecklade ny teknik för att uppnå högprecisions-tidssynkronisering och frekvenslåsning mellan oberoende fotonkällor belägna långt ifrån varandra för att bibehålla oskiljbarheten för timing och spektrallägen, " förklarade Zhang. "Tack vare dessa tekniska genombrott, vi slutförde en uppgift som tidigare verkade omöjlig att slutföra."
Studien är en viktig milstolpe på vägen mot att implementera QKD i stor skala och använda den för att säkra kommunikation över längre avstånd. Dessutom, forskarna var de första att inse fotoninterferens i långväga atmosfäriska kanaler. Detta kan öppna upp spännande möjligheter för utveckling av komplexa typer av kvantinformationsbehandling som involverar kvantinterferens, såsom quantum entanglement swapping och quantum teleportation. Det kan också erbjuda nya sätt att testa gränssnittet mellan kvantmekanik och gravitation.
Forskarnas långsiktiga mål är att demonstrera satellitbaserad MDI-QKD och på sikt bygga ett globalt kvantnätverk. För att uppnå detta, dock, de måste först övervinna ett antal ytterligare utmaningar.
"En av dessa utmaningar är den höga förlusten som främst orsakas av atmosfäriska fluktuationer, " Zhang förklarade. "I den mest enkla konfigurationen av satellitbaserad MDI-QKD, en satellit spelar rollen som detektionsterminalen (dvs. två markstationer skickar fotoner via "upp-länken" till satelliten). Kanalförlusten uppmätt av Micius-satelliten är cirka 41 ~ 52 dB från en markstation med höjden 5, 100 mil. Förlusten kommer sannolikt att bli mycket högre från markstationer på lägre höjd. Single mode fiberkopplingseffektiviteten är en annan förlustkälla, vilket också är mycket betydelsefullt med befintliga MDI-QKD-system."
För att möjliggöra effektiva satellitbaserade MDI-QKD-implementeringar, därför, forskarna måste först utveckla befintliga metoder för att överföra fotoner över kanaler med fria rymd. Att göra detta, de har hittills utvecklat ett adaptivt optiksystem och en algoritm som ökar effektiviteten hos lediga kanaler. I sina nästa studier, de planerar att skapa andra algoritmer och tekniker för att förbättra den övergripande överföringskanalen.
"Den andra utmaningen vi hoppas kunna övervinna är förknippad med satellitrörelser, ", tillade Zhang. "Eftersom signalpulserna förväntas överlappas i tidsdomänen vid detekteringsterminalen, en mycket exakt förutsägelse av en satellits omloppsbana krävs, och emissionstiden för varje kodad puls bör också vara exakt tidsinställd, så att de äntligen kan överlappa varandra väl i detekteringsterminalen. Dopplerfrekvensförskjutningen, å andra sidan, är en viktig källa till frekvensfel som är irriterande för HOM-störningar. Frekvensen för varje kodad puls bör också skiftas exakt för kompensation. Efter att ha löst alla dessa tekniska utmaningar, vi tror att vi kommer att kunna realisera satellitbaserad MDI-QKD."
© 2021 Science X Network
