הקדמה: ההבטחה הקוונטית לביטחון בלתי ניתן לשבר

בעידן של איומי סייבר המקיפים וההתחילה של מחשוב קוונטי המסוגלת לשבור את הקריפטוגרפיה הציבורית הקלאסית, הצורך בשיטות תקשורת מאובטחות ביסודן מעולם לא היה דחוף יותר.הפצה של הקוונטים (QKD) בולטת כפתרון מאובטח במיוחד, רתום את חוקי מכניקת הקוונטים - ולא המורכבות המתמטית - לייצר ולחלק מפתחות הצפנה.

מימון של Quantum Key Distribution

בליבתו, QKD מאפשר לשני צדדים – באופן מסורתי בשם אליס ובוב – להקים מפתח סודי משותף עם אבטחה מובטחת על ידי עקרונות של פיזיקה קוונטית.בניגוד לתכניות קריפטוגרפיים קלאסיות שמסתמךות על הנחות על קשיחות חישובית (למשל, גורם בסיסי תיקון גדולים יותר באמצעות קידודים), אבטחת QKD84 מבוססת על משפט ללא קודים ואפקט המשקיף: כל ניסיון ידוע על פרוטוקולים מקובעים (ב"מפולטים)

פרוטוקולים אחרים, כגון אקופרט91 מבוסס סבך (E91) וגרסאות נוספות של מדידת מדידה (MDI-QKD) וגרסאות שדה תאום QKD (TF-QKD), מציעים הבדלים שונים בין הנחות אבטחה, מרחק ושיעורי מפתח.

הבנת יכולת הערוץ בתקשורת הקוונטית

בתיאוריה של מידע קלאסי, יכולת הערוץ היא השיעור המקסימלי שבו ניתן להעביר מידע באופן אמין על ערוץ רועש.עבור הפצת מידע קוונטי, היכולת הרלוונטית היא ה-FLT:0 קיבולת מפתח חשאית 1 של ערוץ קוונטי - השיעור המקסימלי שבו אליס ובוב יכולים לחדד מפתחות מאובטחים, בהנחה שיש להם כוח חישובי בלתי מוגבל ויכולים להשתמש בכל פרוטוקול QKD.

בפועל, שיעור המפתח האפשרי הוא לעתים קרובות ביטוי מספר של ביטים דופק (או לשנייה) ששורדים לאחר תיקון שגיאות ואפקט הפרטיות.עבור פרוטוקול טיפוסי של מדינת דה-קוי-מדינה BB84 באמצעות הדופק חלש, שיעור המפתח הסודי האמפטוטי ניתן על ידי:

(ב) .

כאשר q הוא גורם מבוסס-מצח (בדרך כלל 1⁄2 עבור BB84), h2 הוא הפונקציה atropy בינארי, QBER הוא שיעור שגיאה קוונטית מעט שגיאה. נוסחה זו מראה כי שיעור המפתח טיפות עד אפס כאשר QBER עולה על סף מסוים ( ⁇ 11% עבור BB.84) כך, יכולת הערוץ קשורה קשר אינטימי לשיעורי שגיאה.

Asymptotic לעומת Finite-Size Key Rate

רוב הניתוחים התיאורטיים מניחים מספר אינסופי של אותות שנשלחו, מפשטים את הנתונים הסטטיסטיים. במערכות בעולם האמיתי, יש לקחת בחשבון את ההשפעות בגודל סופי: כי רק מספר מוגבל של הדופקים משוחזרים, שינויים סטטיסטיים משפיעים על סטיות פרמטר וכמות ההגברות הפרטיות הנדרשת. תעריפים מרכזיים בגודל פיניטיים הם בדרך כלל נמוכים יותר מאשר אסטרטיטיסטיים, במיוחד עבור שידור קצר.

מפתחי מפתח משפיעים על יכולת ערוץ QKD

היכולת של ערוץ QKD אינה מספר קבוע; זה תלוי במספר פרמטרים פיזיים והנדסה.הבנת הגורמים האלה חיונית לתכנון מערכות הממקסמות את הדור הסודי.

שיעור שגיאות קוונטיות (QBER)

ה- QBER הוא השבריר של פיסות שגויות במפתח הגלם.מקורות של QBER כוללים:

  • (ב) שגיאות אי-אפשרות: 1) הכנת המדינה וההכנה הלא מושלמת של רכיבים אופטיים.
  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ויקרא: "בְּהָיָה אֱלֹהִים אֲשֶׁר אֲשֶׁר נָעָה" (במדבר כ"ד, כ"ד).
  • (ב) ,0) ניסיונות: התערבות של איב מוסיף באופן בלתי נמנע שגיאות.

מכיוון שקצב המפתח הסודי יורד בחדות עם הגדלת QBER, צמצום שיעור השגיאה הוא חשוב.לדוגמה, QBER של 1% מאפשר שיעור מפתח גבוה בהרבה מאשר QBER של 5%.

אובדן ערוצים ומרחק

ב- QKD מבוסס סיבים, הגבלת ההפחתה המרבית של מרחק השידור. Attenuation נמדדת ב- dB / ק"מ (למשל, 0.2 dB / ק"מ ב-1550 nm בסיבים סטנדרטיים של יחיד-מונדס) ההסתברות כי photonα שורד את המרחק הוא 10(L) עבור מקור פולט μns דופק בממוצע, ההסתברות של μ-L) הוא בערך 10Dlow סטנדרטי של יעילות מוגבלת.

חלל חופשי (Satellite) QKD עומד בפני מנגנוני אובדן שונים: פיזור קרן, זעזוע אטמוספירי ואור רקע. Satellite-to-ground QKD הוכח מעל אלפי קילומטרים, אם כי עם שיעורים נמוכים יותר עקב הפסדים גבוהים יותר.

Detector Performance

גלאי צילום יחיד (SPDs) הם צוואר בקבוק קריטי. פרמטרים מרכזיים כוללים:

  • יעילות הפחתת התפוצה: 0(FLT:1 , Superconducting ננו-חוט יחיד-פוטונים (SNSPDs) יכול להשיג > 90% יעילות, אך הם דורשים קירור Cryogenic.
  • (ב) שיעור ספירת דארק: 1FLT (בקיצור: 1) הוא טוב יותר; ל-SNSPD יש ספירות אפלות כמו ספירה אחת לשנייה, בעוד שב-InGaAs avalanche photodiodes יש שיעור גבוה יותר.
  • (ב) לאחר גילוי, הגלאי עיוור לתקופה (למשל 10-100 ננו), המגביל את קצב השעון המקסימלי.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ : ⁇ 1 (לא ברור) בהגיע הזמן יכול לגרום שגיאות קטנות ב-Time-bin ⁇ .

שיפור הגלאים באופן ישיר מגביר את יכולת הערוץ על ידי מתן QBER נמוך יותר ושיעורי החזרה גבוהים יותר.

איכות מקור

המקור הפוטונלי חייב לייצר מדינות קוונטיות באיכות גבוהה. מקורות קוהרנטיות (פעמוני לייזר מוגברים) נפוצים, אבל יש להם סיכוי של פליטות מרובות-פוטונים, אשר יוצרות פרצות אבטחה (התקפות מספר מבוזרות) פרוטוקולי מדינת Decoy להפחית את זה, אבל את עוצמת המקור ואת הדופק משפיע על קצב המפתח.

רעש וגורמים סביבתיים

רעש רקע מהאור המבלבל (במיוחד בחלל חופשי), ראמאן מתפזר בסיבים, וצלב בסיבים רב-core כולם תורמים לשגיאות.ייצוב פעיל של קיטוב ושלב נדרש לעתים קרובות, והוסיף מעל פני השטח המפחית את היכולת האפקטיבית.

שיטות ל-Aveting Channel Capacity

קביעת שיעור המפתח הסודי האפשרי עבור מבנה QKD נתון כרוך גם מודלים תיאורטיים ואפיון ניסיוני.תהליך ההערכה בדרך כלל עוקב אחר השלבים הבאים:

מודלים תיאורטיים וצלילים

החוקרים משתמשים בתאוריה של מידע קוונטי כדי להפיק גבולות גבוהים על יכולת המפתח הסודית.הגבול הידוע ביותר הוא שיעור דואטאק-חורף, אשר הוא אפשרי עבור התקפות קולקטיביות אבל אולי לא להיות הדוק עבור התקפות קוהרנטיות. עבור משטרים בגודל סופי, מסגרת הביטחון הניתנת להגדרה מספקת גבולות קפדניים על אורך המפתח, חשבונאות עבור תנודות סטטיסטיות.

יצירות מפורסמות רבות מספקות נוסחאות מפורשות לשיעורי מפתח לפי הנחות ספציפיות.לדוגמה, שיעור פרוטוקול דה-קוי-מדינה BB84 עם מקור תמונה יחיד מושלם ניתן על ידי:

(ב) 1

כאשר e1 הוא שיעור השגיאה בזיהוי תמונה יחיד, E הוא QBER הכולל, ו f הוא הגורם לתיקון שגיאות יעילות (בדרך כלל >1).

אופי ניסיוני

כדי לאמת מודלים, ההתקנה הניסויית מודדת את שיעורי המפתח בתנאים מבוקרים.

  • (ב) [15] אובדן שידור של קק"ל ויציבות הקיטובה 1) באמצעות הדופקים.
  • (ב) [15] ורכיביו הראשונים (הדברים הקלים, שגיאות איטרנסיביות וכו') באמצעות ניתוח סטטיסטי של מפתחות מחוסנים.
  • (ב) ,0) , ולאחר דחייתו של גלאי 1 (ב) על ידי שינויים בשיעורי החזרה.
  • (ב) ,0) ,ב"ה, "ב"ה, "לא" (ב"ב)" (במדבר כ"ד).

סטיות מילימטר במשטר בגודל סופי דורשות שיטות סטטיסטיות זהירות כדי להפחית את מספר האירועים צילום יחיד ותחתון התחייבו את שיעורי השגיאה.הערכות אלה להאכיל לתוך הנוסחה של שיעור הריבית, מתן יכולת ריאלית.

אפשרויות ל-Anchcing QKD Channel Capacity

פריצות דרך האחרונות דחפו את הגבולות של יכולת ערוץ QKD, המאפשרות מחירים גבוהים יותר ומרחקים ארוכים יותר.

Twin-Field QKD (TF-QKD)

TF-QKD מתגבר על קצב הליניארי-המידה המסורתי QKD באמצעות התערבות צילום יחיד בין שני לייזרים עצמאיים.קצבי הריבית העיקריים עם שורש הריבוע של העברת הערוץ (הרחבה ל- ⁇ ), המאפשרת לדור מפתח מעל 500 ק"מ של סיבים עם שיעורי מעשי.

מדד-Device-independent QKD (MDI-QKD)

MDI-QKD מסיר את כל פרצות הצד של הגלאי על ידי הצבת המדידה בצומת ביניים לא מהימן. בעוד שיעור המפתח נמוך מ- BB84 סטנדרטי, הוא מספק אבטחה משופרת והוא יכול להשתלב ברשתות הקוונטיות. התפתחויות האחרונות באמצעות זמן-bin וגלאי יעילות גבוהה שיפרו את שיעורי MDI-KD.

לוויינים מבוססי QKD

לוויין QKD חוצה את אובדן הסיבים לחלוטין באמצעות קישורים מהחלל החופשי.הלווין הסיני Micius הדגים QKD מעל אלפי קילומטרים, עם שיעורי מפתח מספיק לתקשורת בטוחה בין יבשות.האתגר העיקרי עבור לוויין QKD הוא זמן מעבר מוגבל ודיכוי אור רקע, אבל משימות מתמשך במטרה להגדיל את היכולת באמצעות שיעורי החזרה גבוהים יותר ושיפור אופטיקה.

עיבוד מהיר ומעבד בזמן אמת

מערכות QKD המודרניות פועלות כעת בשיעורי השעון עד כמה GHz.תיקון שגיאות בזמן אמת והעלאת הפרטיות ייושמו באמצעות FPGAs, צמצום הגמישות והגברת קצב המפתח היעיל.

אתגרים וכיוונים עתידיים

למרות התקדמות משמעותית, כמה מכשולים נותרו לפני QKD יכולים להיות תשתית אבטחה כל כך חשובה.

מרחק גבולות וחזור

גם עם TF-QKD, המרחק המקסימלי הוא סביב 600-700 ק"מ ללא חזרות קוונטיות. כדי לכסות מרחקים יבשתיים, חוזרים קוונטיים (שמשתמשים בהחלפת סבך וזיכרון קוונטי) נדרשים.

שילוב עם רשתות קלאסיות

מערכות QKD צריכות לפעול יחד עם תעבורת נתונים קלאסית באותה תשתית סיבים.טכניקות כגון חלוקת גל באורך מספרxing (WDM) והשימוש בערוצי רעש נמוכים מפותחים, אך הכוח הגבוה של אותות קלאסיים יכול לייצר רעש ראמאן המקטין את האות הקוונטי.

עלויות וסטנדרטיזציה

חומרת QKD, במיוחד SNSPDs ומערכות לייזר מייצבות, נותרה יקרת ערך. Standardization על ידי ארגונים כמו ETSI ואיגוד התקשורת הבינלאומי (ITU) נמצאים כעת כדי להגדיר מדדים לביצועים של מערכת QKD, כולל יכולת ערוצים, אך אימוץ נרחב ידרוש הפחתה ושילוב של עלויות למסגרות אבטחה קיימות.

אבטחה לטווח ארוך

יש דיון מתמשך על האבטחה של QKD נגד יריבים קוונטיים עתידיים.בעוד QKD מספק אבטחה תיאורטית-תיאורטית נגד מחסנים לא ממומשים, הוא לעתים קרובות מסתמך על נקודות מהימן ברשתות מעשיות.מערכות היברידיות המשלבות QKD עם קריפטוגרפיה לאחר-קונטיום עשויות להציע פתרון פרגמטי יותר.

מסקנה

הערכת היכולת של ערוצי QKD היא אתגר רב-צדדי השוכן בצומת של פיזיקה קוונטית, תורת מידע והנדסה.קצב המפתח הסודי נשלט על ידי שילוב של פרמטרים מערכתיים - אובדן, QBER, יעילות הגלאי, רעש ועיצוב פרוטוקול - אשר יחד לקבוע את יכולת הפעולה של QKD עבור יישומים בעולם האמיתי.

(בקריאה נוספת, כדאי לבחון את העבודה הבסיסית על שדה התעופה:0ביטחון של חלוקת מפתח קוונטית (FLT) 1 או אבני דרך ניסיוניות האחרונות כמו FLT:2twin-field QKD מעל 509 ק"מ 3103FLT 3:ETSI QKDFLT:5 לספק מסגרת יעילה להערכה.