Η κβαντική κατανομή κλειδιού (QKD), μια κρυπτογραφική τεχνική που βασίζεται σε αρχές της κβαντικής φυσικής, έχει δείξει σημαντικό δυναμικό στην ενίσχυση της ασφάλειας των επικοινωνιών. Αυτή η τεχνική επιτρέπει τη μετάδοση κρυπτογραφικών κλειδιών χρησιμοποιώντας κβαντικές καταστάσεις φωτονίων ή άλλων σωματιδίων, τα οποία δεν μπορούν να αντιγραφούν ή να μετρηθούν χωρίς να αλλοιωθούν, γεγονός που καθιστά σημαντικά δυσκολότερη την υποκλοπή συνομιλιών από κακόβουλους φορείς χωρίς να εντοπιστούν.
Οι περισσότερες QKD χρησιμοποιούν ψευδο-πηγές φωτονίων
Καθώς οι αληθινές πηγές μοναδικών φωτονίων (SPS) είναι δύσκολο να παραχθούν, τα περισσότερα QKD συστήματα που έχουν αναπτυχθεί μέχρι σήμερα βασίζονται σε εξασθενημένες πηγές φωτός που μιμούνται τα μοναδικά φωτόνια, όπως παλμοί λέιζερ χαμηλής έντασης. Δεδομένου ότι αυτοί οι παλμοί λέιζερ μπορεί επίσης να περιέχουν είτε κανένα φωτόνιο είτε περισσότερα από ένα φωτόνια, μόνο περίπου το 37% των παλμών που χρησιμοποιούνται από τα συστήματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία ασφαλών κλειδιών.
Η ερευνητική ομάδα του USTC ξεπερνάει τα προηγούμενα όρια
Ερευνητές στο University of Science and Technology of China (USTC) κατάφεραν πρόσφατα να ξεπεράσουν αυτόν τον περιορισμό των προτεινόμενων QKD συστημάτων, χρησιμοποιώντας μια πραγματική SPS (δηλαδή ένα σύστημα που μπορεί να εκπέμπει μόνο ένα φωτόνιο κατά παραγγελία). Το νέο τους QKD σύστημα, που περιγράφεται σε άρθρο που δημοσιεύτηκε στο Physical Review Letters, αποδείχθηκε ανώτερο από προηγούμενες τεχνικές, επιτυγχάνοντας σημαντικά υψηλότερο ρυθμό ασφαλών κλειδιών (SKR).
Το θεωρητικό όριο και το πρόβλημα φωτεινότητας
«Οι αδύναμοι παλμοί συνεκτικής ακτινοβολίας (WCP) μαζί με τα πρωτόκολλα decoy-state έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στο QKD», δήλωσε ο Feihu Xu, συν-συγγραφέας του άρθρου, στο Phys.org.
«Ένας περιορισμός του WCP-QKD, ωστόσο, είναι το θεωρητικό ανώτατο όριο 1/e για την πιθανότητα μοναδικού φωτονίου, το οποίο περιορίζει τον ρυθμό δημιουργίας κλειδιού. Ενώ η θεωρία υποδήλωνε ότι οι SPS θα μπορούσαν να ξεπεράσουν αυτό το όριο, προηγούμενα πειράματα εμποδίστηκαν από χαμηλή φωτεινότητα πηγής (~10%), γεγονός που δεν επέτρεπε την απόδειξη της υπεροχής τους. Αυτό ήταν μια μακροχρόνια πρόκληση για τις SPS εδώ και 20 χρόνια».
Κατασκευή φυσικού συστήματος με υψηλή φωτεινότητα
Ο κύριος στόχος της πρόσφατης μελέτης του Xu και των συναδέλφων του ήταν να δημιουργήσουν ένα φυσικό σύστημα που θα μπορούσε να εκπέμπει φωτόνια μοναδικά κατά παραγγελία και με υψηλή φωτεινότητα, ξεπερνώντας τα θεμελιώδη όρια των εξασθενημένων πηγών φωτός που χρησιμοποιούνταν για την κατασκευή QKD συστημάτων στο παρελθόν.
Πειράματα πεδίου με το νέο QKD σύστημα
Η ελπίδα τους ήταν αυτό το σύστημα να ενισχύσει την αξιοπιστία και την απόδοση των τεχνικών QKD, επιτρέποντας την εφαρμογή τους σε πραγματικά περιβάλλοντα.
«Με την εφαρμογή μιας πολύ αποδοτικής πηγής φωτονίων μονής κουκκίδας κβαντικής κοιλότητας, φιλτραρίσματος στενού φάσματος και χαμηλών απωλειών στην πόλωση, έχουμε αναπτύξει την πιο αποδοτική πηγή φωτός με βάση SPS για QKD που έχει αναφερθεί μέχρι σήμερα», εξήγησε ο Xu. «Χρησιμοποιώντας αυτήν την προηγμένη πηγή, διεξαγάγαμε μια σειρά από QKD πειράματα τόσο σε εργαστήριο όσο και σε περιβάλλον ελεύθερου χώρου».
Αποδοτικότητα και ξεπέρασμα των ορίων WCP
Τα πειράματα των ερευνητών απέδωσαν πολύ ενθαρρυντικά αποτελέσματα, καθώς η SPS αποδείχθηκε εξαιρετικά αποδοτική, αυξάνοντας σημαντικά τον ρυθμό με τον οποίο το QKD σύστημα δημιουργούσε ασφαλή κλειδιά. Συνολικά, αυτά τα ευρήματα αναδεικνύουν το δυναμικό των SPS-βασισμένων QKD συστημάτων, δείχνοντας ότι θα μπορούσαν να ξεπεράσουν τα WCP-QKD συστήματα με σημαντικό περιθώριο.
Υπερνίκηση του θεμελιώδους ορίου των WCP
«Έχουμε αποδείξει, για πρώτη φορά, ότι το SPS-βασισμένο QKD υπερβαίνει το θεμελιώδες όριο ρυθμού των WCPs», δήλωσε ο Xu. «Στη δοκιμή πεδίου QKD πάνω από ένα κανάλι αστικού ελεύθερου χώρου με απώλεια 14,6(1,1) dB, επιτύχαμε SKR 1.08 × 10⁻³ bits ανά παλμό, ξεπερνώντας το πρακτικό όριο του QKD με βάση αδύναμο συνεκτικό φως κατά 79%. Ωστόσο, η μέγιστη απώλεια καναλιού είναι ακόμη χαμηλότερη για το SPS-QKD απ’ ό,τι για το WCP-QKD».
Βελτιώσεις μελλοντικής ανοχής απώλειας
Αντί να είναι εγγενής στο ίδιο το σύστημα, η χαμηλότερη απώλεια καναλιού που παρατηρήθηκε αποδόθηκε στα υπολειπόμενα πολυφωτονικά φαινόμενα στο πρωτόκολλο χωρίς decoy-state που χρησιμοποιήθηκε. Στο πλαίσιο μελλοντικών μελετών, οι ερευνητές ελπίζουν να βελτιώσουν την ανοχή απώλειας του συστήματός τους, είτε βελτιστοποιώντας την απόδοση του SPS είτε ενσωματώνοντας decoy states στο σύστημά τους.
Μελλοντικά σχέδια: απόδοσή SPS και κβανικά δίκτυα
«Οι επόμενες μελέτες μας θα επικεντρωθούν στην ενίσχυση της απόδοσης του SPS-QKD, για παράδειγμα μέσω της βελτιστοποίησης των πηγών φωτονίων μονής κουκκίδας – βελτιώνοντας την αποδοτικότητα και καθαρότητα εκπομπής φωτονίων – βελτιστοποιώντας την απόδοση του QKD συστήματος και διερευνώντας πρωτόκολλα όπως η θεωρία decoy-state», πρόσθεσε ο Xu.
«Επιπλέον, θα μπορούσαμε να εξετάσουμε τη βιωσιμότητα εξελιγμένων υποδομών κβαντικών δικτύων αξιοποιώντας την κβαντική τηλεμεταφορά, τους κβαντικούς αναμεταδότες και τα κβαντικά επαναληπτικά στοιχεία (quantum repeaters). Είμαστε βέβαιοι ότι οι συνεχιζόμενες τεχνολογικές εξελίξεις θα προωθήσουν προοδευτικά το QKD προς πρακτικές και γενικές εφαρμογές».
