Kürzlich kooperierte die Forschungsgruppe von Prof. Zeng-Bing Chen und Associate Prof. Hua-Lei Yin (National Laboratory of Solid State Microstructures and School of Physics, Collaborative Innovation Center of Advanced Microstructures, Nanjing University) mit dem Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics und Institute of Physics, Chinese Academy of Sciences und andere Institute schlugen ein vierphasiges, messgeräteunabhängiges Quantenschlüsselverteilungsprotokoll (QKD) vor und führten ein Proof-of-Principle-Experiment durch, um die Machbarkeit zu beweisen.
Die Studie garantierte die Sicherheit des Protokolls gegen willkürliche Quellenfehler und alle Angriffe auf den Detektor. Es charakterisierte auch die Quellfehler mit messbaren Parametern in experimentellen Implementierungen. Das experimentelle Ergebnis zeigte, dass die sichere Schlüsselrate 0,25 kbps erreichen könnte, wenn der Kanalverlust 20 dB beträgt.
Bei einem Kanalverlust von 10 dB (etwa 50 km Glasfaser) könnte die Sicherheitsschlüsselrate 91 kbps erreichen, was die Anforderungen an die einmalige Pad-Verschlüsselung für Sprachanrufe erfüllen kann. Verglichen mit früheren messgeräteunabhängigen QKD-Protokollen, die unvollkommene Quellen berücksichtigen, hat diese Forschung die Sicherheitsschlüsselrate und die Übertragungsdistanz erheblich verbessert, was das enorme Anwendungspotenzial beim praktischen Einsatz sicherer QKD mit Geräteunvollkommenheiten demonstriert.
Das Forschungsergebnis wurde in veröffentlicht Wissenschaftsbulletin.
Im Vergleich zur klassischen Schlüsselverteilung ermöglicht QKD zwei entfernten Teilnehmern, sichere Schlüsselbits für die Verschlüsselung und Entschlüsselung geheimer Kommunikation zu teilen. Zusammen mit dem One-Time-Pad-Algorithmus bietet QKD theoretische Sicherheit für den Informationsaustausch basierend auf den Gesetzen der Quantenmechanik. Für den praktischen Betrieb von QKD-Systemen existiert jedoch noch eine gravierende Sicherheitslücke, die durch die Diskrepanz zwischen theoretischen Sicherheitsannahmen und praktischen Geräten auftritt.
Genauer gesagt wird ein Sicherheitsnachweis von QKD mit Annahmen zu den Systemgeräten erstellt, die für realistische Geräte aufgrund von inhärenten Unzulänglichkeiten und der Störung von Lauschern nicht erfüllt werden können. Diese Abweichung führt dazu, dass mehr Informationen an Lauscher weitergegeben werden, was von Benutzern nicht bemerkt werden kann. Um die Diskrepanz einzugrenzen und die Sicherheit gegen Gerätefehler weiter zu erhöhen, wurden geräteunabhängige QKD und messgeräteunabhängige QKD vorgeschlagen.
Geräteunabhängiges QKD garantiert die bedingungslose Sicherheit von QKD, indem die Verletzung der Bellschen Ungleichung ohne Annahmen über Geräte gemessen wird. Kürzlich haben internationale Forscher Experimente zum Nachweis des Prinzips der geräteunabhängigen QKD mit Studien durchgeführt, die in veröffentlicht wurden Natur und Briefe zur körperlichen Überprüfungbeziehungsweise.
Experimentelle Implementierungen von geräteunabhängiger QKD leiden jedoch immer noch unter kurzen Übertragungsentfernungen und sind weit davon entfernt, in der Langstreckenübertragung implementiert zu werden. Messgeräteunabhängige QKD-Protokolle können alle Schlupflöcher an Detektoren erfolgreich schließen, indem sie einen nicht vertrauenswürdigen Zwischenknoten für die Interferenzmessung einführen.
Im Vergleich zu geräteunabhängigen QKD-Protokollen müssen messgeräteunabhängige QKD-Protokolle keine Annahmen über den Zwischenknoten mit einer höheren sicheren Schlüsselrate und einer längeren Übertragungsdistanz treffen.
Beispielsweise sind die aktuellen Weltrekorde der messgeräteunabhängigen QKD-Protokolle die von Hua-Lei Yin et al. erzielte 404-km-Zwei-Photonen-Interferenz-Messgeräte-unabhängige QKD und die 833-km-Einzelphotonen-Interferenz-Doppelfeld-QKD erreicht von Shuang Wang et al. Messgeräteunabhängige QKD-Protokolle gelten als die beste Wahl mit praktischer Sicherheit und Effizienz. Daher ist es wichtig, Quellenfehler in messgeräteunabhängigen QKD-Protokollen zu beheben.
Es gibt hauptsächlich vier Arten von Quellenfehlern in QKD-Protokollen, darunter Zustandsvorbereitungsfehler, Seitenkanäle, die durch Modusabhängigkeit verursacht werden, Angriffe durch Trojanische Pferde und Pulskorrelationen. Zur Lösung von Schlupflöchern, die durch die oben genannten Quellenmängel verursacht wurden, übernahm die Studie die kürzlich vorgeschlagene Methode der Referenztechnik, um die genannten Quellenmängel vollständig zu charakterisieren und die Sicherheit eines vierphasigen, messgeräteunabhängigen QKD-Protokolls nachzuweisen.
Darüber hinaus wurden im Rahmen der Studie die Parameter gemessen, die Quellmängel charakterisieren, und eine Finite-Key-Analyse des Protokolls durchgeführt, um bei der Generierung einer sicheren Schlüsselrate im Experiment zu helfen.
Darüber hinaus führte die Studie ein Proof-of-Principle-Experiment durch, um die Machbarkeit des Protokolls zu beweisen. Das Experiment verwendete die Sagnac-Schleife, um die Phasenfluktuation des Kanals automatisch zu stabilisieren, und alle optischen Fasern behalten die Polarisation bei.
Mehr Informationen:
Jie Gu et al, Experimentelle Quantenschlüsselverteilung vom messgeräteunabhängigen Typ mit fehlerhaften und korrelierten Quellen, Wissenschaftsbulletin (2022). DOI: 10.1016/j.scib.2022.10.010