(a) Kvantnätverket är helt anslutet av fem subnät (A, B, C, D och E representeras av rött, orange, grön, blå, och svart, respektive). De streckade linjerna mellan subnäten (10 länkar med olika färger) är de korrelerade tids-energifotonparen mellan subnäten. (b) Varje delnät (såsom delnät A) är utrustat med en 1×3 stråldelare och en fördröjningskontrollmodul, som delar ett frekvenskorrelerat intrasslat fotonpar (röda och blå tecken) och skickar dem till tre användare slumpmässigt. Kredit:Zhantong Qi, Yuanhua Li, Yiwen Huang, Juan Feng, Yuanlin Zheng, och Xianfeng Chen
Quantum secure direct communication (QSDC) baserad på intrassling kan direkt överföra konfidentiell information. Forskare i Kina undersökte ett QSDC-nätverk baserat på tids-energi-förveckling och generering av summafrekvens. Resultaten visar att när två användare utför QSDC över 40 kilometer optisk fiber, och hastigheten för informationsöverföring kan bibehållas vid 1 Kbp/s. Vårt resultat lägger grunden för realiseringen av satellitbaserade långdistans- och globala QSDC i framtiden.
Kvantkommunikation har presenterat ett revolutionerande steg i säker kommunikation på grund av dess höga säkerhet för kvantinformationen, och många kommunikationsprotokoll har föreslagits, till exempel QSDC-protokollet (Quantum Secure Direct Communication). QSDC baserat på entanglement kan direkt överföra konfidentiell information. Varje attack av QSDC resulterar i endast slumpmässiga nummer, och kan inte få någon användbar information från den. Därför, QSDC har enkla kommunikationssteg och minskar potentiella kryphål i säkerheten, och erbjuder höga säkerhetsgarantier, som garanterar säkerheten och värdeerbjudandena för kvantkommunikation i allmänhet. Dock, oförmågan att samtidigt särskilja de fyra uppsättningarna av kodade ortogonala intrasslade tillstånd i entanglement-baserade QSDC-protokoll begränsar dess praktiska tillämpning. Vidare, det är viktigt att konstruera kvantnätverk för att göra breda tillämpningar av kvantsäker direktkommunikation. Experimentell demonstration av QSDC är starkt nödvändig.
I en ny tidning publicerad i Ljusvetenskap och tillämpning , ett team av forskare, ledd av professor Xianfeng Chen från State Key Laboratory of Advanced Optical Communication Systems and Networks, Skolan för fysik och astronomi, Shanghai Jiao Tong University, Kina och professor Yuanhua Li från institutionen för fysik, Jiangxi Normal University, Kina har utforskat ett QSDC-nätverk baserat på tids-energi-entanglement och summa-frequency generation (SFG). De presenterar ett helt uppkopplat entanglement-baserat QSDC-nätverk inklusive fem subnät, med 15 användare. Genom att använda frekvenskorrelationerna för de femton fotonparen via tidsdelningsmultiplexering och tät våglängdsmultiplexering (DWDM), de utför ett 40-kilometers fiber QSDC-experiment genom att antyda tvåstegsöverföring mellan varje användare. I denna process, nätverksprocessorn delar upp spektrumet för enfotonkällan i 30 International Telecommunication Union (ITU) kanaler. Med dessa kanaler, det kommer att inträffa en tillfällighet mellan varje användare genom att utföra en Bell-state-mätning baserad på SFG. Detta gör att de fyra uppsättningarna av kodade intrasslade tillstånd kan identifieras samtidigt utan efterval.
Det är välkänt att säkerheten och tillförlitligheten för informationsöverföringen för QSDC är en viktig del i kvantnätet. Därför, de implementerade blocköverföring och steg-för-steg-överföringsmetoder i QSDC med uppskattning av sekretesskapaciteten för kvantkanalen. Efter att ha bekräftat säkerheten för kvantkanalen, den legitima användaren utför kodnings- eller avkodningsoperationer inom dessa system på ett tillförlitligt sätt.
(a) Kvantnätets fysiska struktur. Spektrumet är uppdelat i 30 ITU-nätkanaler via en 100 GHz-DWDM. CH17 till CH31 är numrerade från 1 till 15 respektive, och siffrorna med motsatt tecken anger motsvarande kanaler CH33-CH47. Arkitekturen för våglängdsallokering utelämnas i de små trapetsformade multiplexblocken. Varje litet block med färgade digitala symboler konstruerar en våglängdsgrupp som distribueras av nätverksprocessorn. (b) Varje par av signalfoton och tomgångsfoton indikeras med samma färgade staplar med och utan motsatt digitalt tecken. (c) Illustration av SFG-framsteg. Fotoner som genereras i par genom spontan parametrisk nedkonverteringsprocess multiplexeras in i SFG-experimentet för att realisera kodning och kvantkommunikation. Kredit:Zhantong Qi, Yuanhua Li, Yiwen Huang, Juan Feng, Yuanlin Zheng, och Xianfeng Chen
Dessa forskare sammanfattar experimentresultaten av deras nätverksschema:
"Resultaten visar att när två användare utför QSDC över 40 kilometer optisk fiber, troheten för den intrasslade staten som delas av dem är fortfarande större än 95 %, och hastigheten för informationsöverföring kan bibehållas vid 1 Kbp/s. Vårt resultat visar genomförbarheten av ett föreslaget QSDC-nätverk, och lägger därför grunden för realiseringen av satellitbaserad långdistans- och global QSDC i framtiden."
"Med detta schema, varje användare kopplar samman med andra genom delade par av intrasslade fotoner i olika våglängder. Dessutom, det är möjligt att förbättra informationsöverföringshastigheten över 100 Kbp/s i fallet med högpresterande detektorer, samt höghastighetskontroll i modulator som används", tillade de.
"Det är värt att notera det nuvarande arbetet, som erbjuder långdistanspunkt-till-punkt QSDC-anslutning, kombinerat med QSDC:s nyligen föreslagna kvantnätverk med säker-repeater, som erbjuder säker end-to-end-kommunikation över hela kvantinternet, kommer att möjliggöra byggandet av ett säkert kvantnätverk med hjälp av dagens teknik, att inse den stora potentialen hos QSDC i framtida kommunikation." förutspår forskarna.
