簡單量子密鑰分發系統研發新進展:可與當前光纖電信網絡配合使用

近日一支研究團隊利用義大利帕多瓦市的光纖網絡開展了一項實驗,展示了一套自動化、且易於操作的量子密鑰分發(QKD)系統。據悉,QKD 為數據通信提供了不可穿透的加密體驗,因其利用了光的量子特性來生成用於數據加解密的隨機安全密鑰。而本次現場測試,也意味著世界各地現有的通信網絡,朝著實施這套高安全性的量子通信技術而邁出了重要的一步。

簡單量子密鑰分發系統研發新進展:可與當前光纖電信網絡配合使用

這套 QKD 系統兼容 19 英寸的機架安裝方式(來自:Luca Calderaro / 帕多瓦大學)

與 Luca Calderaro 和 Giulio Foletto 攜手完成這項研究、來自義大利帕多瓦大學的 Marco Avesani 表示:

QKD 在任何安全性至上的場景下都非常實用,因為它的密鑰交換過程就提供了無與倫比的安全性 —— 比如用於醫院之間發送健康數據、或銀行匯款之類的加密驗證。

現場試驗期間,研究團隊在帕多瓦的光纖網絡上展示了一套簡單的量子密鑰分發系統。發射器位於 UniPD 的 ICT 中心,而接收端位於該校的數學系,中間是一條 3.4 公里長的光纖。

由 Paolo Villoresi 和 Giuseppe Vallone 帶領的這項研究,已在光學學會(OSA)的《光學快報》(Optics Letters)期刊上的一篇研究論文中有詳細介紹。

他們指出,簡單 QKD 系統能夠保持長期穩定運行,且可在標准電信基礎設施上以持續的速率,來生成具有量子安全性的加密密鑰。

Marco Avesani 補充道:QKD 系統通常需要復雜的穩定系統、以及額外的專用型同步硬體。

不過他們開發出的這套完整的 QKD 系統,能夠直接通過標准電信設備接口來使用,而無需額外的硬體進行同步。

更重要的是,這套裝置能夠輕松裝入機房常見的機架 / 機櫃上(採用標准兼容的 19 英寸外形)。

簡單量子密鑰分發系統研發新進展:可與當前光纖電信網絡配合使用

QKD 實驗地圖(來自:QuantumFuture Group)

為生成 QKD 所需的量子態,研究團隊開發出了一套名叫「iPOGNAC」的新穎編碼器來操縱單個光子的偏振,且該功能對於難以執行重新校準的自由空間 / 量子衛星通信也相當有利。

Luca Calderaro 表示:這項技術在他們將 QKD 系統從實驗室轉移到試驗現場時就已經准備就緒,因而無需執行大多數 QKD 系統都必須開展的費時費力、且容易出現差錯的校準流程。

此外研究人員開發了一種名為 Qubit4Sync 的新同步算法,用於在兩個 QKD 用戶機器之間的同步。

且新系統無需使用專門的附加硬體 / 額外的頻道來進行同步,而是使用了軟體方案 + 用於 QKD 的相同光信號。

這使得整套系統能夠做到更加小巧和低成本,因而更容易被集成到現有的光纖通信網絡中。

測試結果表明,研究人員將兩台 QKD 終端帶到了帕多瓦市相隔約 3.4 公里的兩座大學建築,並且在該校現有的兩條地下光纖線路上開展了相關實驗。

這些光纖支持通過傳統的通道,來傳輸基於量子比特的通道數據和輔助信息。Giulio Foletto 指出,現場試驗很是成功。

他們展示了這套簡單 QKD 系統能夠以每秒千比特的速率來生成密鑰,能夠在幾乎不需要人工干預的實驗室外場景中工作,安裝起來也相當簡單快捷。

在公開的演示中,研究人員實現了帕多瓦大學校長和數學系主任之間的量子安全視頻通話。

在性能可與其它商用型 QKD 系統相當的同時,他們所用的組件更少、且更容易集成到現有的光纖網絡中。

得益於其擁有的全套自主型 QKD 系統的技術開發經驗,研究團隊已促成了一家名為 ThinkQuantum srl 的公司,並正致力於將相關技術投入商業化運用。

展望未來,他們希望進一步縮減設備的體型,並讓該系統能夠在同一光纖中獲得更強的魯棒性(抵禦其它光噪聲)。

來源:cnBeta