Optik fiber kuantum iletişimi için yeni dünya rekoru! Pan Jianwei ve Wang Xiangbin ekibi, 509 km yer tabanlı kuantum anahtar dağıtımına ulaştı
Dünyanın ilk kuantum uydusu "Mozi" nin piyasaya sürülmesinden, dünyanın ilk kuantum güvenli iletişim hattı "Pekin-Şangay bagajının" açılışından kuantum anahtar dağıtım mesafesinin sürekli artışına kadar, Çin'in kuantum iletişim teknolojisi her zaman dünyanın ön saflarında yer aldı.
Son zamanlarda, Çin Bilim ve Teknoloji Üniversitesi'nden Pan Jianwei ekibi ve Tsinghua Üniversitesi'nden Wang Xiangbin ekibi, uzun mesafeli bağımsız lazer fazı girişim teknolojisini kırmak ve gerçek ortam fiberinin çift alanlı kuantum anahtar dağıtımını (TF-QKD) gerçekleştirmek için bir kez daha güçlerini birleştirdiler. 500 kilometre. ), kuantum anahtar dağıtımının iletim mesafesi için dünya rekorunu bir kez daha yeniledi.
20 Şubat 2020, yerel saatte, yukarıda belirtilen ekip, Bağımsız Lazerlerle Gönderiliyor veya Gönderilmiyor olarak adlandırıldı: 509 km üzerinde Güvenli İkiz Alan Kuantum Anahtar Dağıtımı ("gönderme-göndermeme" bağımsız lazer: 509 km güvenli çift alanlı kuantum Anahtar dağıtım) araştırma sonuçları, dünyaca ünlü en iyi haftalık fizik dergisi "Physical Review Letters" (Physical Review Letters) 'da yayınlandı ve "Editörün Tavsiyesi" makalesi olarak seçildi.
"Gönderme-gönderme" çift alanlı kuantum anahtar dağıtım şeması
Kriptografide anahtar, şifreleme, şifre çözme ve bütünlük doğrulaması gibi kriptografik uygulamaları tamamlamak için kullanılan gizli bilgileri ifade eder. Aslında, insanlar dili kullandığından beri, bilgileri anahtarlarla şifreleme teknolojisi sürekli olarak geliştirilmiştir.
1984'te fizikçi Bennett ve kriptograf Brassard, güvenli iletişim mesafesini artırmayı ve güvenliği artırmayı amaçlayan kuantum mekaniğinin ölçüm ilkesine dayanan dünyanın ilk kuantum anahtar dağıtım protokolünü (BB84 protokolü) önerdi. Protokole göre önerilen kuantum anahtar dağıtımı (QKD, yani kuantum anahtar dağıtımı), iki yeri ayıran kullanıcılar için koşulsuz ve güvenli paylaşılan anahtarlar sağlayabilir ve temel olarak anahtarların güvenliğini garanti edebilir.
Bununla birlikte, iletişim fiber kaybı ve dedektör gürültüsünün sınırlandırılması nedeniyle, kuantum anahtar dağıtım sistemi genellikle yalnızca 100 kilometre içinde yüksek bir kodlama oranı elde edebilir - kuantum rölesi olmadan (röle, iki anahtarlama merkezi arasını ifade eder). Bir iletim yolu durumunda), güvenlik kodu oranı doğrusal sınırla sınırlandırılır.
[Anti-hacking kuantum anahtar dağıtımının şematik diyagramı]
Buna dayanarak, yeni bir tür kuantum anahtar dağıtım şeması - "gönder-göndermeyen" iki alanlı kuantum anahtar dağıtım şeması ortaya çıktı. Şema, Tsinghua Üniversitesi Fizik Bölümü profesörü ve Tsinghua Üniversitesi Kriptografik Teori Merkezi müdür yardımcısı tarafından geliştirildi. Jinan Kuantum Teknolojisi Enstitüsü başkanı ve makalenin yazarlarından biri olan Wang Xiangbin önerdi.
Bu şemanın, faz gürültüsünün toleransını ve güvenliğini büyük ölçüde artıran ve kuantum anahtar dağıtımının kod oranının uzun mesafelerde bile yüksek bir seviyeyi korumasına izin veren tek foton girişiminin özelliklerini akıllıca kullandığı bildirildi.
Basit bir ifadeyle, çift alanlı kuantum anahtarı, birlikte çalışan bir çift ikiz gibidir ve hatta bit hızının doğrusal sınırını röle olmadan kolayca kırabilir.
2019 yılında, Çin Bilimler Akademisi'nde akademisyen ve Çin'in "kuantum babası" olan Pan Jianwei ve ekibi, gerçek bir ortamda 300 kilometrelik bir optik fiberde iki alanlı bir kuantum anahtar dağıtım deneyini tamamladı.
Ancak, Leifeng.com, çift alanlı kuantum anahtar dağıtımı için teknik gereksinimlerin oldukça zorlu olduğunu öğrendi:
-
İki uzak bağımsız lazerin tek foton seviyesinde paraziti gereklidir;
-
Tek foton saptama sonucu aracılığıyla uzun mesafeli optik fiber bağlantısının göreceli faz kaymasının doğru tahminini gerçekleştirme ihtiyacı;
-
Yüksek sayım oranına, yüksek verimliliğe ve ultra düşük karanlık sayıya sahip bir tek foton detektörü gereklidir.
Kuantum anahtar dağıtım iletim mesafesi için yeni dünya rekoru
Bu kez, araştırma ekibi yukarıda belirtilen şemayı uyguladı. 509 kilometrelik ultra düşük kayıplı optik fiber üzerinde yapılan deneyler, güvenli bir anahtar dağıtımı olduğunu kanıtladı, röle olmayan kuantum anahtarlarının mutlak anahtar oranı sınırını aştı ve başarıyla oluşturuldu Yer tabanlı kuantum anahtar dağıtımının en uzun mesafesi için yeni bir dünya rekoru.
Özellikle, Pan Jianweinin ekibi, Wang Xiangbin tarafından önerilen "gönder-gönder-gönder" çift alanlı kuantum anahtar dağıtım şemasına dayanan zaman frekansı iletim teknolojisi ve lazer enjeksiyon kilitleme teknolojisini geliştirdi ve iki bağımsız uzak lazerin dalga boylarını aynı olacak şekilde kilitledi ve kullandı Fiberin göreceli faz kaymasını tahmin etmek için faz referans ışığını ekleyin. Ekip aynı zamanda, Çin Bilimler Akademisi Şanghay Mikrosistemleri Enstitüsü tarafından geliştirilen yüksek sayım oranı ve düşük gürültülü tek foton detektörünü birleştirdi ve nihayet kuantum anahtar dağıtımının güvenli kodlama mesafesini 500 kilometre mertebesine çıkardı.
Aşağıdaki şekil, deneysel cihazın şematik diyagramıdır. Alice ve Bob, faz randomizasyonu, kodlama ve kod çözme için bir faz modülatörü (PM) ve üç yoğunluk modülatörü (IM1, IM2, IM3) tarafından modüle edilen uzaktan kilitli kararlı sürekli dalga lazerleridir. Yoğunluk modülasyonu.
Ek olarak, şekilde ATT bir zayıflatıcıdır, PC bir polarizasyon kontrolörüdür, PBS bir polarizasyon ışın ayırıcısıdır, DWDM bir yoğun dalga boyu bölmeli çoklayıcıdır, CIR bir sirkülatördür, BS bir ışın ayırıcıdır, FM bir Faraday aynasıdır ve PD bir fotoelektriktir diyot.
Makaleye göre, optik fiberin 509 kilometrede kodlama oranı, geleneksel aktarmasız kuantum anahtar dağıtımının bağıl sınırının 7 katından fazla, yani ideal algılama cihazı altında aktarmasız kuantum şifrelemeyi aşıyor (dedektör verimliliği% 100). Kod limitine anahtar dağıtımı.
Ek olarak, sistem tekrar frekansı Pekin-Şangay ana hat gibi uzun mesafeli kuantum iletişim ağlarında kullanılan 1GHz'e yükseltilirse, kodlama hızı 300 kilometrede 5 kbps'ye ulaşabilir ve bu da omurga optik fiber kuantum iletişim ağındaki güvenilir röle sayısını büyük ölçüde azaltacaktır. Optik fiber kuantum güvenli iletişim ağının güvenliğini artırın.
Aslında, yerel saatle 2 Mart 2020'de, uluslararası akademik dergi Nature Photonics'in (Nature Photonics) alt sayısı, Akademisyen Pan Jianwei ve diğerleri tarafından kuantum anahtar dağıtımının uygulanması adlı başka bir araştırma sonucunu yayınladı. Doğrusal hız-geçirgenlik sınırını aşan (doğrusal hız-geçirgenlik sınırının ötesinde kuantum anahtar dağılımının uygulanması).
Lei Feng.com, bu araştırmanın Tsinghua Üniversitesi'nden Profesör Ma Xiongfeng tarafından önerilen, uzun mesafeli kuantum iletişiminin geliştirilmesini daha da teşvik eden ve yükselen kuantum İnternet'in temelini oluşturan faz eşlemeli kuantum anahtar dağıtımı (PM-QKD) protokolüne dayandığını belirtti.
10 Eylül 2019'da Çin Bilimler Akademisi ve Alman Ulusal Bilimler Akademisi (Leopoldina) tarafından ortaklaşa düzenlenen ilk ikili seminerde Akademisyen Pan Jianwei bir keresinde şunları söyledi:
Uzun mesafeli güvenli kuantum iletişimi elde etmek için insan yolculuğunda iki büyük zorluk vardır: gerçekçi koşullar altında güvenlik sorunu ve uzun mesafeli iletim sorunu.
Bu araştırmanın kuantum iletişimi için büyük önem taşıdığı görülüyor ve Leifeng.com ayrıca Çinli araştırmacılar tarafından getirilen daha fazla atılımı dört gözle bekliyor!
Referans malzemeleri:
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.124.070501
https://mp.weixin.qq.com/s/YHC1zdEAQ2TQKsXk1J52NA
https://www.nature.com/articles/s41566-020-0599-8
