Configurazione dell'esperimento. Un laser a 1550 nm fortemente attenuato viene utilizzato come sorgente approssimativa di un singolo fotone con una frequenza di ripetizione degli impulsi sistematica di 1 MHz. Nel setup sperimentale Bob invia i singoli fotoni ad Alice in una sovrapposizione di due time-bin con relativa fase, e Alice sceglie a caso uno dei due possibili compiti, controllo degli errori o codifica. Entrambi i lati sono controllati da array di porte programmabili sul campo (FPGA), e il funzionamento dei quattro stati a singolo fotone è realizzato con un modulatore di niobato di litio commerciale. Modulatore di fase PM. Regolatore di polarizzazione per PC. Divisore del fascio di polarizzazione PBS. Attenuatore. Circolatore ottico CIR. Accoppiatore in fibra FC. Rivelatore a singolo fotone a nanofili superconduttori SPD con efficienza di rilevamento del 70%, Frequenza di conteggio scuro di 100 Hz e tempo di ripristino di 50 ns. Accoppiatore del filtro di mantenimento della polarizzazione PMFC. FR Rotatore di Faraday. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0132-3
La comunicazione diretta quantistica sicura (QSDC) è un ramo importante della comunicazione quantistica, basato sui principi della meccanica quantistica per la trasmissione diretta di informazioni classificate. Mentre recenti studi sperimentali di prova di principio hanno compiuto notevoli progressi; I sistemi QSDC devono ancora essere implementati nella pratica. In un recente studio, Ruoyang Qi e collaboratori dei dipartimenti di fisica quantistica a bassa dimensionalità, tecnologie dell'informazione, elettronica e ingegneria dell'informazione, proposto e implementato sperimentalmente un pratico sistema di comunicazione sicuro quantistico.
Nel lavoro, Qi et al. ha analizzato la sicurezza del sistema utilizzando la teoria del canale delle intercettazioni telefoniche Wyner. Gli scienziati hanno sviluppato uno schema di codifica utilizzando codici di controllo di parità a bassa densità (LDPC) di concatenazione (interconnessi) in un ambiente realistico di rumore elevato e perdite elevate. Il sistema funzionava con una frequenza di ripetizione di 1 MHz su una distanza di 1,5 chilometri e manteneva una velocità di comunicazione sicura di 50 bps per inviare messaggi di testo, immagini e suoni di dimensioni ragionevoli. I risultati sono ora pubblicati in Luce:scienza e applicazioni .
Il lavoro di Qi et al. ha evidenziato una forma di QSDC in grado di trasferire informazioni dirette senza una chiave di distribuzione per prevenire la vulnerabilità agli attacchi. Nel lavoro, il team ha utilizzato un laser a 1550 nm per generare singoli fotoni che trasportavano informazioni quantistiche sicure, gli scienziati sono stati in grado di decodificare con successo le informazioni al momento della ricezione. Il metodo era affidabile anche in ambienti realistici causati da un'elevata perdita di fotoni o errori introdotti a causa del rumore. Il codice LDPC standard utilizzato nello studio per migliorare le prestazioni di correzione degli errori è stato implementato dal Comitato consolare per i sistemi di dati spaziali (CCDS) per applicazioni vicino alla terra e nello spazio profondo.
La sicurezza globale dipende da infrastrutture di comunicazione sicure. Attualmente, la comunicazione è protetta tramite tecniche di crittografia come lo schema a chiave pubblica RSA. La capacità di segretezza è definita come il massimo di tutte le velocità di trasmissione realizzabili con sicurezza e affidabilità. In pratica, è difficile stimare la capacità di segretezza nei sistemi di comunicazione classici a causa della difficoltà di rilevamento delle intercettazioni. Nei sistemi quantistici, singoli fotoni o coppie di fotoni entangled possono trasmettere informazioni digitali, dando origine a nuove funzionalità nella crittografia quantistica, irraggiungibile nei mezzi di trasmissione classici. In linea di principio, è impossibile origliare senza disturbare la trasmissione in modo da evitare il rilevamento in una tale configurazione.
Il primo protocollo di comunicazione quantistica è stato proposto da Bennett e Brassard (BB84), basato sullo sfruttamento di risorse quantistiche per un accordo di chiave sicuro. Nel 2000, QSDC è stato proposto per comunicare le informazioni direttamente senza una chiave segreta ed eliminare le scappatoie associate all'archiviazione delle chiavi e agli attacchi di testo cifrato. Successivi studi di prova di principio hanno dimostrato singoli fotoni basati su QSDC e coppie entangled, compresi gli studi in cui una fibra potrebbe comunicare su una distanza significativa di 500 m utilizzando protocolli QSDC a due fasi.
Illustrazione del pratico protocollo DL04-QSDC. Il "canale principale" e il "canale delle intercettazioni" sono canali discreti senza memoria. Il canale principale rappresenta un canale tra il mittente e il legittimo destinatario, mentre il canale delle intercettazioni rappresenta un canale tra il mittente e l'intercettatore. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0132-3
In questo studio, Qi et al. implementato un pratico sistema di comunicazione diretta quantistica sicura utilizzando una procedura basata sul protocollo DL04 (senza chiave). Secondo il modello di intercettazione Wyner, implementare nella pratica il sistema QSDC, il sistema dovrebbe funzionare al di sotto della capacità di segretezza del canale per la trasmissione sicura delle informazioni. Gli scienziati hanno stimato la capacità di segretezza del sistema utilizzando codici di controllo di parità a bassa densità (LDPC) interconnessi. Hanno progettato lo schema per operare specificamente in regimi ad alta perdita e alto tasso di errore, unico per la comunicazione quantistica. Qi et al. ha così dimostrato che la piattaforma QSDC potrebbe funzionare efficacemente in un ambiente realistico.
Quando si implementa il protocollo DL04-QSDC, gli scienziati includevano un "canale principale" senza memoria e un "canale delle intercettazioni". Il canale principale rappresentava la rete tra il mittente e il destinatario. Il canale delle intercettazioni rappresentava la rete tra gli utenti legittimi e l'intercettatore. Il protocollo prevedeva quattro passaggi:
Qi et al. utilizzato laser altamente attenuati come sorgente approssimativa di singolo fotone nell'implementazione. Per una migliore approssimazione di una singola sorgente di fotoni per rilevare attacchi di intercettazione, è possibile utilizzare un metodo di distribuzione della chiave quantistica dello stato esca. Se la capacità di segretezza è diversa da zero per qualsiasi canale di intercettazione, cioè se il legittimo ricevitore ha un canale migliore dell'intercettatore, esiste uno schema di codifica che raggiunge la perfetta segretezza secondo il modello Wyner. Però, non tutti gli schemi di codifica possono garantire la sicurezza, che dipende essenzialmente dai dettagli della codifica.
A sinistra:configurazione sperimentale. A destra:stabilità del sistema con diversi blocchi di messaggi. ex ed ez sono i tassi di errore delle misurazioni utilizzando la base X e la base Z, rispettivamente, nel sito di Alice. e è il tasso di errore nel sito di Bob. Il tasso di errore è stato stimato blocco per blocco; ogni blocco contiene 1312 × 830 impulsi. Il numero medio di fotoni è 0,1. La perdita intrinseca di un canale quantistico è 14,5 dB, che include l'efficienza del rivelatore, ~70%, e gli elementi ottici, ~13 dB. La perdita totale del sistema è di 25,1 dB a una distanza di 1,5 km. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0132-3
La codifica avviene simultaneamente nel modulo di codifica. Se il tasso di errore è inferiore alla soglia, la parte di codifica è autorizzata a inviare i singoli fotoni a Bob tramite la stessa fibra, dove sono guidati a rivelatori di singoli fotoni per la misurazione. Gli scienziati hanno controllato la configurazione composta da tre modulatori di fase (PM) e rilevatori di fotoni singoli (SPD) per codificare i messaggi nei due siti utilizzando gli FPGA, che sono stati ulteriormente controllati da computer di posizione superiore.
La linea continua rappresenta l'informazione reciproca tra Alice e Bob; dal teorema di codifica del canale rumoroso che la velocità di trasmissione non può superare la capacità del canale principale. La linea tratteggiata è l'informazione reciproca tra Alice ed Eva, la massima informazione che un intercettatore può ottenere. I simboli rappresentano i risultati sperimentali. Insieme al codice LDPC scelto, lo schema di codifica produce una velocità di trasmissione di 0,00096 quando la velocità di errore di bit è inferiore a 10^-6. Poiché il tasso è maggiore delle informazioni reciproche tra Alice ed Eve, sono garantite sia la sicurezza che l'affidabilità della trasmissione delle informazioni. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0132-3
Illustrazione dello schema di codifica. Un messaggio m insieme a un bit casuale locale r e un seme casuale pubblico s vengono elaborati dalle famiglie di hashing universali inverse UHF-1 al vettore u, e quindi u viene modificato dal codice LDPC in v, che viene mappato alla parola in codice c e quindi inviato al sito del destinatario. A causa di perdite ed errori, il ricevitore Bob riceve una parola in codice degradata, e poi smappa, decodifica e ottiene il messaggio dopo aver eseguito l'hashing universale delle famiglie UHF. Credito:Luce:scienza e applicazioni, doi:https://doi.org/10.1038/s41377-019-0132-3
Nella teoria dell'informazione, il teorema di codifica del canale rumoroso stabilisce una comunicazione affidabile per qualsiasi dato grado di contaminazione da rumore di un canale di comunicazione. Per garantire l'affidabilità delle informazioni, Alice modula gli impulsi che raggiungono il legittimo ricevitore Bob, che effettua le misurazioni nella stessa base in cui le ha preparate. A causa di perdite ed errori, Bob riceve un codice degradato, che demappa e decodifica dopo la post-elaborazione con UHF per ottenere il messaggio.
In questo modo, Qi et al. implementato un pratico sistema QSDC in un ambiente realistico di alto rumore e alta perdita. Tra le altre tecniche, gli scienziati hanno utilizzato un codice LDPC per ridurre errori e perdite nel sistema. Hanno analizzato in profondità la sicurezza del sistema utilizzando la teoria del canale delle intercettazioni telefoniche Wyner. Quando la capacità di segretezza era diversa da zero; uno schema di codifica con un tasso di informazione inferiore alla capacità di segretezza garantiva sia la sicurezza che l'affidabilità della trasmissione delle informazioni. In totale, gli scienziati hanno ottenuto una velocità di informazione sicura di 50 bps a una distanza praticamente significativa di 1,5 km. Qi et al. implicano che questi parametri sono prematuri e prevedono un sistema migliorato in grado di integrare la tecnologia esistente per una maggiore velocità di trasmissione di informazioni di decine di kbps in futuro.
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