La distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD) è un metodo utilizzato per lo scambio di chiavi sicure o segrete tra due utenti remoti. Utilizzando una comunicazione sicura, i cyberscienziati mirano in definitiva a stabilire una rete quantistica globale. I test sul campo esistenti suggeriscono che tali reti quantistiche sono fattibili. Per realizzare una rete quantistica pratica, diverse sfide devono essere superate tra cui la realizzazione di varie topologie su larga scala, semplice manutenzione della rete e robustezza ai guasti dei nodi. In un nuovo rapporto ora pubblicato su Progressi scientifici , Teng-Yun Chen e un gruppo di ricerca in fisica quantistica, informazioni quantistiche e scienze dell'informazione interdisciplinare in Cina, ha presentato un'operazione sul campo di una rete di area metropolitana quantistica con 46 nodi. Hanno realizzato diverse strutture topologiche e gestito la rete per 31 mesi tramite apparecchiature standard. Hanno quindi realizzato l'abbinamento QKD e la gestione delle chiavi per comunicazioni sicure, tra cui telefono vocale in tempo reale, messaggi di testo e trasmissione di file con crittografia one-time pad per supportare 11 coppie di utenti per effettuare chiamate audio simultanee. La tecnica può essere combinata con una dorsale quantistica interurbana e tramite collegamenti terra-satellite per formare una rete quantistica globale.

Rete quantistica globale

In questo lavoro, Chen et al. costruito una rete di area metropolitana quantistica di 46 nodi in tutta la città di Hefei. La distribuzione delle chiavi quantistiche (QKD) mira in definitiva a costruire una rete quantistica globale in cui i traffici di comunicazione hanno garanzie di sicurezza teoriche dell'informazione. Una rete QKD globale può mantenere due tipi di collegamenti, tra cui la rete di terra e la rete satellitare, dove la rete di terra può essere ulteriormente suddivisa in una dorsale, reti metropolitane e di accesso per coprire le distanze interurbane e le distanze fibra-casa. I ricercatori hanno studiato la fattibilità del QKD tra due utenti attraverso lo spazio libero a lunga distanza, fibre di telecomunicazione e collegamenti simulati terra-satellite. Esempi dei test sul campo delle reti QKD già realizzati includono una rete a tre utenti di DARPA, una rete di sei nodi in Europa, la rete SwissQuantum e una rete a sei nodi di tipo mesh a Tokyo. La rete satellitare ha fornito un metodo promettente per realizzare collegamenti intercontinentali, comunicazione sicura come risultato della bassa attenuazione della trasmissione nello spazio, fungendo da relè affidabile per connettere nodi o sottoreti di utenti remoti. Gli scienziati hanno recentemente implementato una rete satellitare su larga scala contenente quattro reti di aree metropolitane, una rete dorsale e due collegamenti satellite-terra. Però, questi esperimenti e reti QKD sono ancora preliminari, il team ha quindi affrontato le sfide relative alla realizzazione di una rete QKD pratica su larga scala.

Chen et al. costruito una rete di area metropolitana quantistica a 46 nodi per connettere 40 nodi utente, tre relè affidabili e tre interruttori ottici, in tutta Hefei. La rete copriva l'intera area urbana e collegava diverse organizzazioni all'interno dei distretti della città, inclusi governi, banche, ospedali, e università di ricerca. Hanno prima esaminato le strutture topologiche di base in una rete in cui il metodo più robusto utilizzava una topologia completamente connessa in cui ogni utente era direttamente connesso a ogni altro utente nella rete. Il tipo di rete non richiedeva che gli utenti si fidassero l'uno dell'altro. I nodi utente possono anche essere collegati tramite uno switch centrale in una rete a stella, dove due utenti possono creare chiavi sicure con un numero sufficiente di relay affidabili. Ad esempio, la dorsale Shanghai-Pechino usava questa tecnica; però, lo svantaggio è che gli utenti devono fidarsi del relè. Chen et al. costruito tre sottoreti in USTC, QuantumCTek e la Biblioteca Comunale che sono distribuiti a 15 km di distanza.

Topologia di rete e apparecchiature QKD standard

I ricercatori hanno realizzato due tipi fondamentali di strutture di connessione topologiche, compresa la connessione completa tra tre sottoreti e le connessioni a stella per le reti di accesso locale. Durante gli esperimenti, il team ha utilizzato uno switch ottico noto come nodo fidato al centro della sottorete a forma di stella. Usando il nodo fidato, hanno assegnato le chiavi classiche tra gli utenti per funzionare come un router classico, mentre gli interruttori ottici all-pass hanno agito come router quantistici per ridistribuire i segnali quantistici. In base alla configurazione, due utenti qualsiasi possono comunicare direttamente senza interferire con altri utenti. Chen et al. sviluppato ulteriormente un tipo di modulo switch comprendente quattro porte di ingresso e otto di uscita, l'altro conteneva uno switch a 16 porte che consentiva a otto coppie di utenti di comunicare contemporaneamente. Il team ha utilizzato un protocollo per generare chiavi segrete tra utenti connessi direttamente e relay affidabili. Se un utente avesse un trasmettitore quantistico e l'altro un ricevitore quantistico, potrebbero generare chiavi. La piattaforma conteneva quindi due tipologie di utenti; quelli direttamente collegati a un interruttore contenente sia un trasmettitore che un ricevitore, e gli utenti si sono collegati direttamente a un relè affidabile con solo un trasmettitore quantistico. Di conseguenza, gli scienziati hanno utilizzato due tipi di apparecchiature; uno per trasmettere segnali e un altro per trasmettere e ricevere segnali contemporaneamente. Dopo la riconciliazione di base e la correzione degli errori, hanno standardizzato l'attrezzatura QKD per ridurre notevolmente il numero di dispositivi utilizzati.

Progettare una strategia di switching:applicazioni e robustezza della rete

Chen et al. sviluppato un processo di gestione delle chiavi per consentire agli utenti di generare chiavi con priorità elevata. Per realizzare questo, hanno progettato una strategia di commutazione basata sul numero di chiavi memorizzate nelle memorie locali per gli utenti. Hanno quindi collegato uno switch ottico a 16 porte a 16 utenti per ottenere un totale di 120 possibili schemi di accoppiamento di chiavi mediante i quali due utenti possono essere collegati per il processo QKD per un tempo di commutazione compreso tra 10 e 60 minuti. Per entrare in rete, un nuovo utente doveva prima inviare un frame heartbeat dal proprio dispositivo QKD al server di gestione delle chiavi per l'autenticazione, quindi mettere in coda il dispositivo per generare le chiavi. Per sicurezza, il team ha seguito l'analisi di sicurezza BB84 standard dello stato esca e ha generato il tasso di chiave segreto del protocollo di distribuzione della chiave quantistica BB84. In base all'applicazione della rete, gli utenti hanno utilizzato le chiavi sicure generate per trasferire le informazioni in modo sicuro. Utilizzando la rete, Chen et al. trasmissione di informazioni crittografate, compreso telefono vocale in tempo reale, messaggistica istantanea, e file digitali con il metodo di crittografia one-time pad. Il ritardo totale nel processo di crittografia è stato inferiore a 50 µs. Quando i ricercatori hanno testato la capacità della rete per 50 minuti, tutti i 22 utenti potevano effettuare chiamate contemporaneamente per sei minuti, all'interno della rete quantistica. Per testare la stabilità e la robustezza del sistema, hanno gestito ininterrottamente la rete per 31 mesi.

In questo modo, Teng-Yun Chen e colleghi hanno sviluppato una rete pratica e su larga scala di distribuzione di chiavi quantistiche metropolitane (QKD) con prodotti QKD commerciali per uso pratico a Hefei, Cina. Il team potrebbe scalare la rete quantistica aggiungendo più utenti e relè per connettersi alla dorsale Shanghai-Pechino come rete nazionale. La rete può anche essere combinata con altri protocolli QKD per superare le imperfezioni dei dispositivi di misurazione per una comunicazione efficiente e sicura.

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