Protocol cuantic avansat: trei utilizatori pot genera o cheie secretă comună
Distribuția cheilor cuantice permite în prezent doi utilizatori să stabilească chei secrete a căror securitate se bazează pe legile mecanicii cuantice. Extinderea acestei capacități la mai mulți participanți este esențială pentru viitoarele rețele cuantice care vor susține comunicații securizate în grup.
Conferințele criptografice cuantice răspund acestei nevoi permițând mai multor utilizatori să partajeze aceeași cheie securizată, folosită apoi pentru protejarea comunicațiilor de grup.
Într-un articol publicat în Physical Review Letters, o echipă condusă de profesorul Xiao-Song Ma de la Universitatea Nanjing raportează realizarea experimentală a conferințelor criptografice cuantice asincrone independente de dispozitivul de măsurare (AMDI QCC). Demonstrația abordează două provocări majore: menținerea unor rate utile de generare a cheilor pe măsură ce rețelele se extind și reducerea complexității controlului fazelor optice.
În configurația experimentală, trei utilizatori trimit independent impulsuri optice către o stație comună de măsurare GHZ, unde un interferometru cu fibră optică cu căi multiple permite interferența semnalelor și detectarea fotonilor individuali.
Pe baza rezultatelor de detectare anunțate public de nodul de măsurare și a informațiilor proprii de codificare, utilizatorii obțin o cheie de conferință securizată comună prin procese precum asocierea evenimentelor de detectare a fotonilor individuali, maparea cheilor și post-procesare clasică. Designul independent de dispozitivul de măsurare protejează împotriva atacurilor vizând echipamentul de detectare, eliminând necesitatea de a avea încredere în stația comună de măsurare.
Protocoalele convenționale de conferință cuantică independente de dispozitivul de măsurare se bazează pe evenimente de coincidență multifotonică pentru a genera chei securizate. Aceste evenimente devin din ce în ce mai rare pe măsură ce pierderile de transmisie cresc și mai mulți utilizatori se alătură rețelei, limitând sever performanța și scalabilitatea comunicațiilor.
Protocolul asincron, propus teoretic de grupul profesorului Zeng-Bing Chen și Hua-Lei Yin împreună cu colaboratori, depășește acest blocaj prin asamblarea evenimentelor de generare a cheilor din detectări de fotoni individuali înregistrate la momente diferite. În loc să solicite ca detectările relevante să aibă loc simultan, evenimentele potrivite sunt asociate în timpul procesării datelor, folosind mai eficient semnalele detectate.
Această schimbare aduce o îmbunătățire fundamentală în modul în care rata cheilor scalează cu pierderile de transmisie. Într-o rețea ideală cu N utilizatori, rata se modifică de la o dependență proporțională cu ηN în conferința MDI convențională la una proporțională cu η, unde η reprezintă transmisia canalului pentru un singur utilizator. Exponentul de scalare a pierderilor nu mai crește astfel cu numărul de utilizatori.
Echipa de cercetare a generat chei securizate la o pierdere totală maximă a sistemului de aproximativ 59,6 dB, comparativ cu aproximativ 21,5 dB obținute într-un experiment anterior de conferință cuantică MDI cu codificare în polarizare al aceluiași grup. La această pierdere maximă testată, echipa a obținut o rată a cheilor securizate de aproximativ 4,470 × 10⁻⁹ biți per impuls.
Pentru rețelele de comunicații care folosesc lasere independente, fără blocare în frecvență, diferențele de frecvență dintre lasere și deriva de fază din interferometrele cu fibră optică pot afecta rezultatele interferenței și generarea cheilor. În acest experiment, echipa a folosit impulsuri optice de referință codificate prin multiplexare în diviziune de timp, combinate cu transformata Fourier rapidă, pentru a estima diferențele de frecvență dintre laserele independente și deriva de fază din interferometrul cu căi multiple, realizând compensarea corespunzătoare în post-procesarea datelor.
Această abordare permite protocolului să funcționeze fără blocare de fază, păstrând în același timp estimarea și compensarea fazei necesare pentru generarea cheilor securizate. Reduce dependența rețelelor multiuser de tehnici complexe de control al fazei și oferă o cale tehnică mai simplă spre aplicarea practică a comunicațiilor cuantice multiuser.
Împreună, generarea asincronă eficientă a cheilor și controlul simplificat al fazei fac din AMDI QCC o potențială piatră de temelie pentru viitoarele rețele cuantice. Demonstrația de laborator actuală stabilește o fundație pentru dezvoltarea comunicațiilor multipartite securizate pe distanțe lungi prin fibră optică. Progrese suplimentare în sursele de lumină integrate, modulatoare și detectoare ar putea ajuta la transpunerea acestei capacități în rețele practice interurbane.
