简单量子密钥分发系统研发新进展:可与当前光纤电信网络配合使用

2021年06月19日 13:45 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

近日一支研究团队利用意大利帕多瓦市的光纤网络开展了一项实验,展示了一套自动化、且易于操作的量子密钥分发(QKD)系统。据悉,QKD 为数据通信提供了不可穿透的加密体验,因其利用了光的量子特性来生成用于数据加解密的随机安全密钥。而本次现场测试,也意味着世界各地现有的通信网络,朝着实施这套高安全性的量子通信技术而迈出了重要的一步。

这套 QKD 系统兼容 19 英寸的机架安装方式(来自:Luca Calderaro / 帕多瓦大学)

与 Luca Calderaro 和 Giulio Foletto 携手完成这项研究、来自意大利帕多瓦大学的 Marco Avesani 表示:

QKD 在任何安全性至上的场景下都非常实用,因为它的密钥交换过程就提供了无与伦比的安全性 —— 比如用于医院之间发送健康数据、或银行汇款之类的加密验证。

现场试验期间,研究团队在帕多瓦的光纤网络上展示了一套简单的量子密钥分发系统。发射器位于 UniPD 的 ICT 中心,而接收端位于该校的数学系,中间是一条 3.4 公里长的光纤。

由 Paolo Villoresi 和 Giuseppe Vallone 带领的这项研究,已在光学学会(OSA)的《光学快报》(Optics Letters)期刊上的一篇研究论文中有详细介绍。

他们指出,简单 QKD 系统能够保持长期稳定运行,且可在标准电信基础设施上以持续的速率,来生成具有量子安全性的加密密钥。

Marco Avesani 补充道:QKD 系统通常需要复杂的稳定系统、以及额外的专用型同步硬件。

不过他们开发出的这套完整的 QKD 系统,能够直接通过标准电信设备接口来使用,而无需额外的硬件进行同步。

更重要的是,这套装置能够轻松装入机房常见的机架 / 机柜上(采用标准兼容的 19 英寸外形)。

QKD 实验地图(来自:QuantumFuture Group)

为生成 QKD 所需的量子态,研究团队开发出了一套名叫“iPOGNAC”的新颖编码器来操纵单个光子的偏振,且该功能对于难以执行重新校准的自由空间 / 量子卫星通信也相当有利。

Luca Calderaro 表示:这项技术在他们将 QKD 系统从实验室转移到试验现场时就已经准备就绪,因而无需执行大多数 QKD 系统都必须开展的费时费力、且容易出现差错的校准流程。

此外研究人员开发了一种名为 Qubit4Sync 的新同步算法,用于在两个 QKD 用户机器之间的同步。

且新系统无需使用专门的附加硬件 / 额外的频道来进行同步,而是使用了软件方案 + 用于 QKD 的相同光信号。

这使得整套系统能够做到更加小巧和低成本,因而更容易被集成到现有的光纤通信网络中。

测试结果表明,研究人员将两台 QKD 终端带到了帕多瓦市相隔约 3.4 公里的两座大学建筑,并且在该校现有的两条地下光纤线路上开展了相关实验。

这些光纤支持通过传统的通道,来传输基于量子比特的通道数据和辅助信息。Giulio Foletto 指出,现场试验很是成功。

他们展示了这套简单 QKD 系统能够以每秒千比特的速率来生成密钥,能够在几乎不需要人工干预的实验室外场景中工作,安装起来也相当简单快捷。

在公开的演示中,研究人员实现了帕多瓦大学校长和数学系主任之间的量子安全视频通话。

在性能可与其它商用型 QKD 系统相当的同时,他们所用的组件更少、且更容易集成到现有的光纤网络中。

得益于其拥有的全套自主型 QKD 系统的技术开发经验,研究团队已促成了一家名为 ThinkQuantum srl 的公司,并正致力于将相关技术投入商业化运用。

展望未来,他们希望进一步缩减设备的体型,并让该系统能够在同一光纤中获得更强的鲁棒性(抵御其它光噪声)。

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