תקשורת קוונטית עומדת על גבול אבטחת המידע, תוך מינוף חוקי מכניקת הקוונטים ליצירת ערוצים אשר חסינים באופן תיאורטי על מנת לחלחל.בלב של מתקנים ניסיוניים רבים היא טכניקת מודולציה קלאסית שמטרתה מחדש עבור מדינות קוונטיות: Frequency Shift Keying (FSK) על ידי ביטים קוונטיים (qubits) על מצבים שונים של פוטונים, לבנות יכולות טכנולוגיות קוונטיות ופתרונות קוונטיים, באמצעות עקרונות מחקר פוטנציאליים.

יסודות תדירות שינוי הבזק בקונטקסט קוונטי

Frequency Shift Keying (FSK) היא תוכנית מודולציה שבה הנתונים מיוצגים על ידי שינויים דיסקרטיים בתדירות המוביל. בטלקומוניקציה קלאסית, FSK מוערכת עבור החוסן שלה לרעש מפוכח ופשטותו. האנלוגי הקוונטי לוקח את אותו מושג אבל חל על photons יחיד או סבך זוגות. במקום ⁇ ברמות, פשוט להגדיר "0bit" - כמו "מצבים" (Fbit" (Fbit) "(kbit) ") "(Obit") באופן קבוע" (Fbit") ") "(Fbit") או "(Dbit" (Fbit) ") "(Dbit) "(Dbit") באופן קבוע") ") ") ") "(Dbit" (Fbit) באופן קבוע") ") באופן קבוע" (Fbit") או "(Dbit") באופן קבוע" (Fbit") באופן קבוע" (Fbit) באופן קבוע" (Fbit") באופן קבוע" (Fbit" (Dbit" (Dbit) באופן קבוע) באופן קבוע" (Obit) כמו לעתים קרובות ") "(Dbit") "(Dbit) "(Dit) "(Dbit

המעבר מקלאסי ל- קוונטים FSK כרוך בגוון משמעותי.במערכת קלאסית, האות עשוי להכיל הרבה פוטונים ואת השינוי בתדירות ניתן לזהות עם טכניקות סטנדרטיות של רדיו- ⁇ . בניסויים קוונטיים, האות מוגדל לרמה של תמונה אחת, כלומר זיהוי של תמונה אחת בתדר מסוים חייב להעביר באופן חד-משמעי את המידע המקודש הזה דורש מקורות מדויקים מאוד, אך לא יציבים מספיק כדי לפתור את התדרים (או הקלמנטל) עם תדרים הקטנים (אך יש צורך לתקן את התדרים קטנים).

הבנה של FSK בתקשורת קוונטית ולכן דורשת היכרות עם שתי תיאוריית המודולציה הקלאסית ואת הייחודיות של אופטיקה קוונטית.השיטה מציעה סינרגיה טבעית עם מספר רב של גלי אורכי גל (WDM), טכניקה סטנדרטית ברשתות סיבים מודרניים אופטיים, מה שהופך אותו מועמד אטרקטיבי לשילוב של התפלגות מפתח קוונטית (KD) לתשתיות קיימות.

תפקיד FSK ב- Quantum Key Distribution

הפצת מפתח קוונטית (QKD) היא היישום הבוגר ביותר של תקשורת קוונטית.פרוטוקולים QKD מאפשרים לשני צדדים, בדרך כלל בשם אליס ובוב, לשתף מפתח סודי שהביטחון שלו מובטח על ידי מכניקת הקוונטים. בעוד רבים של יישומי QKD משתמשים בקוטב או שלב סיבולת, תדירות סיבולת באמצעות FSK התפתחה כחלופה חזקה, במיוחד עבור תרחישים ארוכים וגבוהים.

במערכת FSK מבוססת FSKD, אליס מכינה תמונה באחת משתי מדינות תדר או יותר.היא שולחת אותו לבוב מעל ערוץ קוונטי.בוב מבצע מדידת תדר - לדוגמה, באמצעות מסנן טוטלי או ספקטרום פורטרנס-טרנסטרנס-פורמול - ורשומות את התוצאה.האבטחה של הפרוטוקול מסתמך על העובדה שכל ניסיון על ידי מכשיר אלקטרוני (E) כדי להפריע לתדירות התדירות שלו, אשר יכול להפריע לגרסאות של אימות זה יכול להיות משקף את התדירות.

אחד היתרונות המרכזיים של תדירות ⁇ הוא תאימות עם זיהוי FLT:0 (טכניקות זיהוי בולטות FLT:1 ). על ידי שימוש oscillators המקומי ו Hoodyne או heterodyne, החוקרים יכולים להשיג יחס גבוה אותות לרעש אפילו בתדירות נמוכה photon flux.זה הוביל לתיעוד שיעורי מפתח בניסויים המבוססים על סיבים QKD לדוגמה, מחקר הראה גבוה של 10b מאובטח יותר מ-Fps).

FSK תומך באופן טבעי ב-FLT:0 (ב-bin ⁇ FLT:1) כאשר בשילוב עם הגדרות אינטרפרומטריות, המציע רמה שלישית של חופש למניפולציה של qubit. החוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים חוקרים באופן פעיל בודקים פרוטוקולים היברידיים המשתמשים הן בתדירות והן בזמן כדי להגדיל את המימד של הקידוד, אשר יכול לשפר באופן דרמטי את יכולת המידע לצילום.

יישום ניסיוני של תקשורת קוונטית מבוססת FSK

מימוש FSK במעבדה דורש תשומת לב זהירה לדור, מניפולציה וגילוי של מדינות פוטון בתדרים.הסעיפים הבאים מכנים את רכיבי המפתח ואת ההתקנה הניסויית נציג.

צילום: Frequency Modulation

המקור של photons בודדים בשימוש לעתים קרובות בניסויים FSK הוא פרמטרי ספונטנית ירידה (SPDC) גביש מושא על ידי גלי רציף או לייזר דופק.ה photons המופנמים הם באופן טבעי פס רחב, אבל על ידי סינון אותם עם צר פסים או באמצעות cavity-enhanced SPDC, החוקרים יכולים לייצר photons עם מצבי תדר מוגדר היטב, או coulator באופן ישיר (מפוטנטי) שבו הוא מופעל על ידי מערכת לייזר (מפוטופוטנציה-אופטית) הוא ישירות (מפוטופוטופוטנציה (מפוטופוטנציה) או שימוש באופן ישיר (מפוטנטית) או שימוש באופן ישיר (מפוטנטית) הוא פולופטית) או שימוש בתדירות נמוכה (מפוטנטית) או באמצעות cavanced SPDC, או באמצעות cavity-a-a-a-אופטית) הוא מופעלת (מפוטנטית) באופן ישיר (מפוטנטית) באופן ישיר (מפוטנטית (מפוטנטית) באופן ישיר (מפוטנטית) הוא מופעלת) או באמצעות cavanced SPDC, אשר מופעלת) הוא מופעלת) באופן ישיר (מפוטנטית) או באמצעות c

שינוי הוא הצעד הקריטי.AOM המונע על ידי אות רדיו- ⁇ יכול לתת שלב או שינוי אמפיר על השדה האופטי, למעשה שינוי תדירות הלייזר. עבור קוונטי FSK, עומק המודולציה ומהירות חייב להיות נשלט בדיוק כדי ליצור מעברים חדים ללא הצגת פסים לא רצויים שיכולים להתפשר על מצב הרוחב:0Frequancy לשרת קו אחד של קו אחד - בתנאי לייזר נפרדים, ללא קו של 1-קו-קו-זמנית, ללא צורך של קו-קו-קו-קו-קו-זמנית, יכול להיות בעל-קו-קו-קו-קו-קו-קו-קו-קו-קו-קו-קו-זמנית, אם-זמנית, אם-זמנית, אם-זמנית אחד, אם-קו-קו-זמנית, אם-קו-קו-זמנית, יכול להיות מסוגל ליישר-זמנית, אם-זמנית, אם-זמנית, אם-קו-קו-קו-קו-קו-זמנית, אם-קו-קו-קו-קו-זמנית, כך שיגרום ליישר קו-זמנית, אם-קו-קו-זמנית, ללא הצגת פס מסוים, ללא הצגת פס מסוים, ללא הצגת פס מסוים, אם-זמנית, אם-זמנית, אם-זמנית-זמנית, ללא

גילוי וירידה של Frequency-Encoded Qubits

מערכת הגילוי של בוב חייבת להבחין בין התדירות השונים עם נאמנות גבוהה.

  • (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) [15] ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (ב) ⁇ 0 (למעלה) ⁇ (ב) ⁇ (הדור סו- ⁇ ) מזיז את התמונה לאורך גל גלוי שבו גלאי יש יעילות גבוהה יותר, בשילוב עם סינון ספקטרלי.

בניסוי בעל פרופיל גבוה לאחרונה, החוקרים באוניברסיטת ז'נבה הראו מערכת QKD באמצעות 4 ⁇ FSK עם AWG, השגת שיעור שגיאה קוונטית (QBER) מתחת ל-2% מ- 50 ק"מ של סיבים.ההגדרה כללה משוב בזמן אמת לייצב את תדירות הלייזר נגד סחף, אתגר משותף בניסויים ארוכי טווח (ראוFLT:0Xiv2112F).

ניסוי בלתי אפשרי: FSK עם פוטונים מורכבים

תקשורת קוונטית מבוססת אנסטרמנט יכולה גם ליהנות מ FSK. במחקר ציוני אחד, צוות באוניברסיטת וינה יצר זוגות פוטונים מסובכים בתדירות באמצעות מונחה ליתיום ניטוט (PPLN) מונח גל גל גל (PPLN) על ידי הפעלת תדירות מערכת לייזר של משאבה, הם יצרו זוגות שבהם שני הפוטונים היו מתואמות בחלל התדרים לאחר מכן, בוב יכול למדוד את התדירות של תמונה מספר 1 ו-F) עם הגדלה על ידי הפיזור של אותה תדירות של אותה.

יתרונות ואתגרים של FSK עבור מערכות קוונטיות

כמו כל תכנית מודולציה, FSK מביא קבוצה נפרדת של בורסות.הבנת אלה חיוני לבחירת הקידוד הנכון עבור יישום מסוים.

רובוסטנס ו Noise Immunity

אחד הטיעונים החזקים ביותר עבור FSK הוא ההתנגדות שלה ל-FLT:0 [הרעשים] של אזהרות מדג' 1 [מכיוון שהמידע מתבצע בתדירות ולא בעוצמה, וריאציות באובדן הערוץ או ברווח הגלאי אינן משפיעות ישירות על מצב ה-qubit.זה הופך את FSK אטרקטיבי במיוחד עבור קישורים לוויינים אל הקרקע, שם מפריעה אטמוספירטיבית אטמוספירטיבית גורמת לתנודות גדולה במערכות כוח.

יתר על כן, qubits קודמות הם חסינים מפני עיוותים של קיטוב כי מגיפה QKD מבוסס על סיבים ארוכים. פיזור פולריזציה-mode (PMD) יכול להיות חמור בסיבים מותקנים, אבל מדינות תדירות נשארות במידה רבה לא מושפע.חזקות זו טבועה מפשטת את ההתקנה הניסויית ומפחיתה את הצורך למעקב אחר קוטב פעיל.

השלכות אבטחה

מנקודת מבט ביטחונית, תדירות ⁇ מספקת הזדמנויות זיהוי נוספות. a eavesdropper שמנסה להעתיק את מצב התדר של photon חייב אינטראקציה עם זה, וכל אינטראקציה המשמרת את ה-qubit הוא בדיוק אסור על ידי המשפט ללא רישום.עם זאת, איב יכול לנסות לבצע מדידה אדסנסטיבית בתדר המחשוף את המדינה תוך חסימת או משיכת התמונה מתקדמת.

אחת הפגיעות העצומות היא שמידע תדר יכול להיות קשור לתקופת ההגעה של הפוטון אם הפיזור נוכח.התקפה שצעדים הן הזמן והן התדירות יכולים, בעיקרון, להוציא יותר מידע ממה שאפשר.

ה Hurdles טכניים: תדירות יציבות והפסד

האתגר העיקרי בתקשורת הקוונטית של FSK הוא שמירה על יציבות:0 ⁇ ⁇ יציבות 1: לייזרים נסחף לאורך זמן עקב שינויים טמפרטורה הרץ, רטטים והזדקנות.במשטר צילום יחיד, אפילו סחף קטן יכול לגרום לתדירות הפוטון ליפול מחוץ ל-BID המיועד, וכתוצאה מכך אירוע הפסד או תקלה של חוקרים להילחם זה עם לולאה פעילה זה מנעול משוב אטומי או אטומי יותר מאשר שפשף את הפחתת תאים 1 - לעתים קרובות יותר מאשר אטומיים - מאשר אטומיים.

עוד hurdle הוא ה-FLT:0insertion LossFLT ( 1:1 של אלמנטים ויזואליים בתדרים.AWG, לדוגמה, עשוי להציג 3-5DB של אובדן, אשר באופן ישיר להפחית את שיעור המפתח. סיבים נמוכים-loss סיבים Braggatings Braggatings ו-Digatings משולב מותאם אישית מפותחים לכתובת זו, סוף-רוחב רוחב הפס הזמין לתדירות גבוהה על ידי לוח זמנים פעיל (Avederd) נשאר מוגבל של לוח זמנים מתוחים (Ric) וקבועים).

ניתוח השוואתי: FSK לעומת טכניקות אחרות של שינוי

ניסויים בתקשורת קוונטית משתמשים גם ב- שלב ⁇ (למשל, BB84 עם משמרות שלב) ו-Celtleization ⁇ .How does FSK ערער?

  • (FLT:0)Phase ⁇ :FLT:1 מאוד פופולרי עבור מערכות סיבים בשל הזמינות של אינטרפרומטרים יציבים.עם זאת, שלב ⁇ הוא רגיש לתנודות מכניות ותנודות טמפרטורה. FSK מציע יציבות ארוכת טווח, אבל בדרך כלל דורש סינון ספקטרום מורכב יותר.
  • (FLT:0) ⁇ ⁇ : FLT:1 פשוט ליישם במרחב החופשי, אבל סובל מ- PMD בסיבים אופטיים.FSK נמנע לחלוטין ראש הממשלהD ויכול לשמור על נאמנות מעל אלפי קילומטרים עם פיצויי פיזור נאותים.
  • (FLT:0)Time-bin ⁇ : 1FLT) משמש לעתים קרובות לצד שלב או תדירות. .זמן בינארי הם פגיעים לתזמון ג'ייטר ודורשים דופק קצר מאוד. Pure FSK אינו זקוק לפעמוני הדופק קצרים, מרגיע את הדרישות על מקור הלייזר.

בפועל, ניסויים רבים משלבים מספר רב של חופש כדי להגדיל את שיעור המפתח ולספק ריצוף. A (FLT:0)hybrid ⁇ FLT:1 באמצעות תדירות וזמן (או תדירות וקטביזציה) הוא דרך מבטיחה קדימה.הבחירה תלויה בסופו של דבר בתנאי ערוץ ספציפיים - SK מצטיין בתרחישים עם רעש גבוה, מרחקים ארוכים, או קיימות תשתית WDM.

כיוונים עתידיים ו Scalability

העתיד של FSK בתקשורת הקוונטית נראה בהיר, עם כמה חזיתות מחקר המתאחדות כדי להתגבר על המגבלות הנוכחיות.

פרוטוקולים היברידיים ו- Quantum Reers

Frequency ⁇ הוא התאמה טבעית עבור FLT:0quantum reersal ReersFLT:1 מבוסס על האנסמבלים אטומיים או גבישים נדירים-earth-do-dedion. זיכרונות אלה ניתן לחקור עם אור פס צר, ואת היכולת למפות qubits תדירות על מעברים אטומיים הוקמה היטב.שלב FSK עם סבך ו-purifications יאפשר רשתות מרוחקות לטווח ארוך.

יתר על כן, פרוטוקולי QKD היברידיים שמתגים בין FSK לבין בסיס אחר (למשל, קיטוב) יכולים לסכל התקפות של ערוצים צדדיים.לדוגמה, מערכת שקודמת בתדירות אך באמצעים בתדירות ובזמן יכולים לזהות את הניסיון של אפריק כדי לנצל את העיוותים.

חומרי וחדשנות של מכשירים

מעגלים משולבים Photonic (PICs) נועדו מהפכה בניסויים קוונטיים FSK. Lithium niobate על insulator (LNOI) יכולים להשיג שינוי תדר במהירות גבוהה עם אובדן נמוך.על שבב AWGs ו micro-ring resonators יכול להחליף אופטיים מרובים, באופן דרסטי את הגודל והעלות של חוקרים הם גם לחקור רשת 3FEER2:

בנוסף, ג'ייטר מוליכים nanowire יחיד-פוטונים (SNSPDs) עם תגובה ספקטרלית רחבה וג'ייטר תזמון נמוך מאפשרים זיהוי יעיל יותר על פני ערוצי תדר מרובים. בשילוב עם מספר אקסקסינג אורך גל, הגלאים האלה יכולים להתמודד עם עשרות תדרים בו זמנית, דוחקים את שערי המפתח לתוך משטר Gbps בעיקרון.

רשתות קוונטיות גלובליות

תקשורת קוונטית מבוססת לוויין היא מטרה עיקרית.החזקות של FSK נגד זעזועים אטמוספיריים והתאמה שלה עם מסוף לייזרים קיימים של מערכת לייזר של לווייניקום להפוך אותו למועמד מוביל.הלוויינים הסיניים Micius כבר הוכיחו את QKD מבוסס קוטביזציה; משימות עתידיות עשויות לשלב FSK כדי להגדיל את זמינות הקישור ואת אחוזי הנתונים על הקרקע, ארוך-haul סיבים (למשל, רשת אינטרנט קוונטית, קוונטית) כמו גם אם כן, סטנדרט כפול (DSD) יכול לאמץ את רמת זרם גבוה יותר (קומית) כמו גם את רמת ה-WDSDLCDLCDLC) כסטנדרט (מערכת משולבת) כסטנדרטית (מערכת אחסון (DIX) כסטנדרטית) כסטנדרטית) כסטנדרטית (D.

סטנדרטיזציה תמלא תפקיד מכריע.שיתוף פעולה בין האקדמיה, התעשייה וגופים בסטנדרטים (כגון ITU) נדרשים להגדיר תוכניות תדירות, מפרט ממשק, והסמכת אבטחה עבור מכשירים קוונטיים מבוססי FSK. כמו אלה מאמצים בוגרים, FSK יעבור מספסל המעבדה לפריסה מסחרית, המאפשר תקשורת בטוחה עבור בנקאות, בריאות, מגזרי ממשלה ברחבי העולם.

לסיכום, Frequency Shift Keying הוכיח להיות כלי רב-תכליתי ועוצמתי בניסויים בתקשורת הקוונטית.היכולת שלו להתנגד לרעש, להשתלב עם סיבים קונבנציונליים אופטיים, ולפעול בשיעורים גבוהים תחת תנאים תובעניים, כטכנולוגיה מרכזית עבור רשתות הקוונטיות של המחר.על ההתקדמות באינטגרציה פוטונית, בקרת תדר, ופרוטוקול ימשיך להרחיב את תפקידו, להביא אותנו קרוב יותר לעולם שבו תקשורת קוונטית היא רק הוכחה מעשית של מציאות, אך לא-אמת.