Quantum key distribution (QKD) är en metod som används för säkra eller hemliga nyckelutbyten mellan två fjärranvändare. Med säker kommunikation, cyberforskare siktar i slutändan på att etablera ett globalt kvantnätverk. Befintliga fälttester tyder på att sådana kvantnätverk är genomförbara. För att uppnå ett praktiskt kvantnätverk, flera utmaningar måste övervinnas inklusive förverkligandet av olika topologier i stor skala, enkelt nätverksunderhåll och robusthet mot nodfel. I en ny rapport som nu publiceras den Vetenskapliga framsteg , Teng-Yun Chen och ett forskarlag inom kvantfysik, kvantinformation och tvärvetenskaplig informationsvetenskap i Kina, presenterade en fältoperation av ett kvantstorstadsnätverk med 46 noder. De insåg olika topologiska strukturer och drev nätverket i 31 månader via standardutrustning. De insåg sedan QKD-parning och nyckelhantering för säker kommunikation inklusive rösttelefon i realtid, textmeddelanden och filöverföring med engångskodkryptering för att stödja 11 par användare för att ringa ljudsamtal samtidigt. Tekniken kan kombineras med en intercity kvantryggrad och via mark-satellitlänkar för att bilda ett globalt kvantnätverk.

Globalt kvantnätverk

I det här arbetet, Chen et al. byggde ett kvantmetropolnät med 46 noder i hela Hefei. Quantum key distribution (QKD) syftar ytterst till att bygga ett globalt kvantnätverk där kommunikationstrafiken har informationsteoretiska säkerhetsgarantier. Ett globalt QKD-nätverk kan upprätthålla två typer av länkar inklusive marknätverket och satellitnätverket, där marknätet ytterligare kan delas in i en ryggrad, storstads- och accessnät för att täcka avstånd mellan städer och fiber-till-hem-avstånd. Forskare har studerat genomförbarheten av QKD mellan två användare genom fritt utrymme på långa avstånd, telekomfibrer och simulerade mark-satellitlänkar. Exempel på fälttester av QKD-nätverk som redan är realiserade inkluderar ett treanvändarnätverk av DARPA, ett nätverk med sex noder i Europa, SwissQuantum-nätverket samt ett mesh-typ sex-nodsnätverk i Tokyo. Satellitnätet gav en lovande metod för att förverkliga interkontinentalt, säker kommunikation som ett resultat av låg överföringsdämpning i rymden samtidigt som den fungerar som ett pålitligt relä för att ansluta fjärranvändarnoder eller subnätverk. Forskare hade nyligen implementerat ett storskaligt satellitnätverk som innehåller fyra storstadsnätverk, ett stamnät och två satellit-marklänkar. Dock, dessa QKD -experiment och nätverk är fortfarande preliminära, teamet tog därför upp utmaningarna kring förverkligandet av ett storskaligt praktiskt QKD-nätverk.

Chen et al. byggde ett kvantnätverk med 46 noder för att ansluta 40 användarnoder, tre betrodda reläer och tre optiska omkopplare, i hela Hefei. Nätverket täckte hela stadsområdet och kopplade samman flera organisationer inom stadsdelarna inklusive regeringar, banker, sjukhus, och forskningsuniversitet. De granskade först de grundläggande topologiska strukturerna i ett nätverk där den mest robusta metoden använde en helt uppkopplad topologi där varje användare var direkt ansluten till alla andra användare i nätverket. Typen av nätverk krävde inte att användarna litade på varandra. Användarnoder kan också anslutas via en central switch i ett stjärnliknande nätverk, där två användare kan bygga säkra nycklar med ett tillräckligt antal betrodda reläer. Till exempel, ryggraden Shanghai-Beijing använde denna teknik; dock, nackdelen är att användarna måste lita på reläet. Chen et al. byggde tre delnät i USTC, QuantumCTek och Stadsbiblioteket som är fördelade 15 km från varandra.

Nätverkstopologi och standard QKD -utrustning

Forskarna insåg två grundläggande typer av topologiska anslutningsstrukturer inklusive den fullständiga anslutningen mellan tre subnätverk och stjärnliknande anslutningar för lokala accessnätverk. Under experimenten, teamet använde en optisk switch känd som en betrodd nod i mitten av det stjärnliknande subnätverket. Med den betrodda noden, de tilldelade klassiska nycklar mellan användare för att fungera som en klassisk router, medan de all-pass optiska switcharna fungerade som kvantroutrar för att omfördela kvantsignaler. Baserat på inställningen, två användare kunde kommunicera direkt utan att störa andra användare. Chen et al. vidareutvecklade en typ av switchmodul med fyra ingångs- och åtta utgångsportar, den andra innehöll en switch med 16 portar som gjorde det möjligt för åtta par användare att kommunicera samtidigt. Teamet använde ett protokoll för att generera hemliga nycklar mellan direkt anslutna användare och betrodda reläer. Om en användare hade en kvantsändare och den andra hade en kvantmottagare, de kan generera nycklar. Plattformen innehöll därför två typer av användare; de som är direkt anslutna till en switch som innehåller både en sändare och mottagare, och användare direkt anslutna till ett pålitligt relä med endast en kvantsändare. Som ett resultat, forskarna använde två typer av utrustning; en för att sända signaler och en för att sända och ta emot signaler samtidigt. Efter grundavstämning och felkorrigering, de standardiserade QKD-utrustningen för att kraftigt minska antalet enheter som används.

Designa en växlingsstrategi:Tillämpningar och robusthet i nätverket

Chen et al. utvecklat en nyckelhanteringsprocess för att låta användare generera nycklar med hög prioritet. För att åstadkomma detta, de utformade en växlingsstrategi baserad på antalet nycklar lagrade i de lokala minnena för användarna. De kopplade sedan en 16-portars optisk switch till 16 användare för att erhålla totalt 120 möjliga nyckelparningsscheman genom vilka två användare kunde anslutas för QKD-processen under en omkopplingstid som sträcker sig från 10 till 60 minuter. För att gå med i nätverket, en ny användare var först tvungen att skicka en hjärtslagsram från sin QKD-enhet till nyckelhanteringsservern för autentisering för att sedan be enheten generera nycklar. För säkerhet, teamet följde standarden lock-state BB84 säkerhetsanalys och genererade den hemliga nyckelhastigheten för BB84 kvantnyckel distributionsprotokoll. Baserat på tillämpningen av nätverket, användarna använde de genererade säkra nycklarna för att säkert överföra information. Använda nätverket, Chen et al. överförd krypterad information, inklusive rösttelefon i realtid, direktmeddelande, och digitala filer med engångskodskrypteringsmetoden. Den totala fördröjningen i krypteringsprocessen var mindre än 50 µs. När forskarna testade nätverkets kapacitet i 50 minuter, alla 22 användare kunde samtidigt ringa i sex minuter, inom kvantnätet. För att testa systemets stabilitet och robusthet, de drev kontinuerligt nätverket i 31 månader.

På det här sättet, Teng-Yun Chen och kollegor utvecklade ett praktiskt och storskaligt storstads kvantnyckeldistributionsnät (QKD) med kommersiella QKD-produkter för praktisk användning i Hefei, Kina. Teamet skulle kunna skala kvantnätverket genom att lägga till fler användare och reläer för att ansluta till Shanghai-Beijing-stamnätet som ett nationellt nätverk. Nätverket kan också kombineras med andra QKD-protokoll för att övervinna brister hos mätenheter för effektiv och säker kommunikation.

© 2021 Science X Network