מבוא תקשורת קוונטית

תקשורת קוונטית מייצגת שינוי פרדיגמטי באבטחת מידע, תוך מינוף העקרונות הבסיסיים של מכניקת הקוונטים כדי לאפשר העברת נתונים בטוחה בין הצדדים.בניגוד לתקשורת קלאסית, המסתמך על ביטים שניתן להעתיק או ליירט ללא זיהוי, תקשורת קוונטית משתמשת במדינות הקוונטיות - באופן חד-פעמי או דופקים קלים חלשים - כדי לפענח מידע.

Photons הם הנפוצים ביותר נושאים מידע קוונטיים בשל אינטראקציה נמוכה שלהם עם הסביבה, המאפשר שידור למרחקים ארוכים באמצעות סיבים אופטיים או חלל חופשי.מידע יכול להיות מקודד בדרגות פוטוניות שונות של חופש: קיטוב, זמן רב, מומנטום זוויתי מסלול, או שלב. בין אלה, FLT:0phase ModulationF1LT יש התפתח כמו מגוון ומעשי במיוחד, במיוחד עבור פרוטוקול הקוונטים (QumK) ופרוטוקולים אחרים.

שלב המודולציה מקודמת פיסות לוגיקה או סמלים כשינויים של הגל האלקטרומגנטי של הפוטון.גישה זו מציעה תאימות גבוהה עם תשתיות סיבים אופטיות קיימות, ביצועי רעש נמוכים, ואת היכולת לתמוך הן ללא הרף של הגל האלקטרומגנטי של photon והמשך קבוע-variable תקשורת קוונטית תוכניות.ב למערכות תקשורת קוונטיות מתקדמות מהפגנות מעבדה לפריסות מסחריות, עם עשרות ק"ממות לשנייה, עם עשרות קילומטרים רבועים.

תפקיד ההחלפה בתקשורת אופטית

בתקשורת אופטית קלאסית, מודולציה של האמפולציה של האור, תדירות, או שלב משמש לשאת נתונים. Amplitude Shift מפתחing (ASK) ו- על-off מפתח (OOK) הם פשוטים אך סובלים מחוסר רגישות גבוהה ואפקטים חזותיים מוגבלים.שלב שינוי מפתח (PSK), במיוחד PSK (Q) ופורמטים גבוהים יותר, מציעה שיפור רעשים וסימולציות בשלב זהה עדיין לא יכול להיות מדגום יותר, אך ורקד יותר, ללא סימנים אבטחה קלאסית.

בתקשורת הקוונטית, המודולציה חייבת לספק מגבלות נוספות.מדינות הקוונטיות המשמשות חייבות להישאר קוהרנטיות ושבריריות מספיק שכל התערבות חיצונית הופכת לגלויה.שלב שלב הנטורינג כאן כי היא מניפולציה את השלב היחסי של פונקציית הגל הפוטון, שהוא משתנה מתמשך שניתן לעשות רגיש להפרעות.יתר כן, שלב יכול להיות נמדד עם דיוק גבוה באמצעות מדפירות, המאפשר שימוש במדינות חלשות (Su) באופן כמעט קבוע, בעודוות, כאשר הן נוצרו באופן דומה, כאשר הן נוצרו באופן דומה, כאשר הן נוצרו באופן דומה, נעשה זאת, כך, גם הן נוצרו על ידי התנהגות דומה.

בהשוואה למודולציה של קיטוב, Modulation שלב הוא פחות רגיש לאפקטים דו-פריים בסיבים סטנדרטיים חד-פעמיים, אשר לסובב באופן אקראי את הקיטוב ודורש פיצוי פעיל. Time-bin ⁇ גם משתמש בהבדלים בשלב בין שני חריצים זמן, אך שלב Modulation מאפשר הגדרות אינטרפרומטריות פשוטות יותר עבור ⁇ ו decoding.

מימון של שלב שינוי במערכות קוונטיות

(ב) אופטיקה קוונטית, מצבה של מצב אור מתואר לעתים קרובות על ידי האמפולציה המורכבת שלו, עם השלב ו amplitude (או quadrature) להיות משתנה מדבקים ביחס לאי הוודאות של הייסברג.עבור שלב זיהוי משותף ( ⁇ ), שבו α= apLT:0i ⁇ FLT:1, שלב ⁇ מכיל את המידע לאלקטרומגנטי (D) כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, הוא יכול להיות מקודד) בין אם הוא נקרא על ידי אלקטרו-FLT2.

תוכנית הקידוד שלב בסיסי ביותר עבור QKD היא הערך של ⁇ :0 (BB84 פרוטוקולים של שלב 1 בגרסאות מבוסס שלב שלה, כאן, השולח (Alice) מקודמת קצת ערך (0 או 1) על ידי בחירת אחד משני בסיסי שלב, כל אחד עם שתי מדינות שלב אוטגוניות (למשל, 0 ו- ⁇ עבור בסיס 1; 2 2) על ידי בחירת בסיס קבוע (B) באמצעות מדידה מסוימת של מערכת מאובטחת (D) באמצעות שימוש באופן פומבי של תכונות).

רציף-variable (CV) QKD משתמש במודולציה בשלב באופן שונה.במקום זיהוי תמונה יחיד, CV-QKD מודד את ההגדלות של quadrature (בקשר ל- amplitude ושלב) באמצעות זיהוי הומוודין.מידע מקודד על ידי הפעלת השלב (ו amplitude) של מדינה קוהרנטית, בדרך כלל באמצעות Gausianulation של עיקרון אבטחה בצורה מושלמת.

יתרונות מרכזיים של שלב המשתנים

  • (FLT:0) אבטחת המידע:FLT:1hav-encoded מדינות הקוונטיות הם רגישים מטבעם לזינוק.כל ניסיון ליירט ולחדש את האות יפריע ללכידות השלב, הצגת שגיאות שניתן לזהות עם הסתברות גבוהה.
  • (FLT:0) גבוה נתונים: FLT:1 על ידי שימוש במספר רמות שלב דיסקרטיות (למשל, 4 רמה או 8-level PSK), כל פוטון יכול לשאת יותר מקצת מידע אחד. במערכות קבועות מתמשך, האופי המתמשך של השלב מאפשר אפילו יותר ניתנות מידע גבוהות יותר, אם כי עם עצירות מסחר ברעש.
  • (FLT:0) תאימות עם סיבים סטנדרטיים:FLT:1 שלב מודולציה ניתן ליישם באמצעות מרכיבים אופטיים הזמינים נרחב כגון מאך-Zehnder interferometers, מודטורים שלב (למשל, Lithium niobate), וזוגנים.זה הופך את זה קל יותר לשלב תקשורת קוונטית לתוך רשתות טלקום קיימות ללא תשתיות גדולות מעל פני אפיל.
  • (FLT:0)Lower Noise Susceptibility: ההרחבה 1 (בסוגים רבים של סיבים, תנודות שלב עקב הפרתיות הן פחות חמורות מאשר תנודות שלב פעיל עדיין נדרש, אבל המורכבות של המערכת יכולה להיות נמוכה יותר מאשר עבור מערכות מקוטב-קודד.

יישומים ב-QKD Quantum Key Distribution (QKD)

היישום הבוגר ביותר של שלב מודולציה בתקשורת הקוונטית הוא ללא ספק FLT:0 (QKD) התפלגות מפתח (QKD) 1FLT:1 ; QKD מאפשר לשני צדדים, אליס ובוב, לשתף מפתח סודי אקראי שסודיותו מובטחת על ידי חוקי מכניקת הקוונטים.שלב QK מבוסס שלב נחקרה באופן נרחב ומופצת, עם כמה פרוטוקולים סטנדרטיים.

BB84 עם שלב הקידוד

פרוטוקול BB84 המקורי השתמש בקידוד קוטליזציה, אך הגרסאות של שלב-הקודדות שלו הפכו פופולריות במהירות בשל תאימות עם סיבים. בתכנית זו, אליס משתמשת ב-Aסימטרית מאך-Zehnder (AMZI) כדי ליצור שני הדופקים עם הבדל שלב יחסי.השינוי שלב מוחל על ידי אליס מקודש את ה-qubit. Bob משתמש בערך דומה AMZI (עם שלב מעבר) כדי לחשוף את הגרסאות הנית של ה-DFK בדרך כלל.

CV-QKD (CV-KD)

מערכות CV-QKD לעיתים קרובות להשתמש ב-FLT:0 (Gausssian Modulation של השלב ו-AmplitudeFLT:1 של מדינות קוהרנטיות.ניתוח האבטחה של CV-QKD מניח כי הרעש העודף של שלב 3:3 בערוץ הוא מעקב; כל קידוד מוסיף רעש נוסף שניתן לזהות בשלב זה של CV-KD מבוצע באופן שרירותי באמצעות גלנרטורים מהירים, אשר הוכיחו את ה-FD2D-FD-FD-FD.

פרוטוקול B92

פרוטוקול פשוט יותר, B92, משתמש רק בשתי מדינות שאינן אורטוקונים (למשל, שלב 0 ו- ⁇ /2) יעילותו נמוכה מ-BB84, אך הוא דורש רק בסיס אחד, פשט את יישום שלב סיבולת הוא מתאים באופן טבעי ל- B92 כי מדינות שאינן אוקטונקולון ניתן לייצר עם מהפך יחיד.

מערכות QKD מסחריות מחברות כמו ID Quantique ו-Totten טוטו לעתים קרובות להשתמש ב- שלב-encoded BB84 או CV-QKD. לדוגמה, פלטפורמת ה-Celvis3 של ID משתמשת במודולציה בשלב בתצורה של Plug-and-play עם ייצוב אוטומטי.

טכניקות יישום ו Components

מערכות תקשורת קוונטיות מתקדמות בשלב מעשי מסתמכות על מספר מרכיבים אופטיים מרכזיים:

  • (FLT:0)Phase Modulators:FLT:1 אלקטרו-אופטי שלב מודולטורים, בדרך כלל עשויים ליתיום niobate (LiNbO3) או indium phosphide (InP), לשנות את המדד השביר של הגל בתגובה למתח החל.הם יכולים לפעול במהירויות של GHz, המאפשר תקשורת קוונטית גבוהה-bitalthum.
  • (FLT:0-Interferometers: 1FLT:1 הממטר מאך-Zehnder (MZI) הוא סוס העבודה של שלב ⁇ ו decoding. in QKD, Aסימטרי MZIs יוצר עיכוב זמן שיוצר שני צירים זמן; ההבדל בין שתי הזרועות מטשטש את ה-qubit. for יציב, את אורך ה-המרחק בין-מפרק חייב להיות פעיל כדי לשמור על משוב פעיל.
  • (FLT:0) ראוותנים: Photodetectors: For Hoodyne Detection in CV-QKD, גלאי מאוזנים מודדים את ההבדל בין שני photocurrents, ישירות retriing את הערך quadrature. for disrete-variable QKD, גלאי צילום יחיד (SPADs או SNSPD) משמשים בפלט של נמלים בין המפרק.
  • (FLT:0) מערכות של ייצוב: סחף שלב 1 (FAVEFRELT) הנגרמת על ידי שינויים בטמפרטורה ורטטים אקוסטיים הוא אתגר גדול.מערכות משוב פעיל להשתמש בטון טייס או הפרעה של דופק לייזר בהיר כדי לנעול את השלב היחסי בין אליס לבוב.

אתגרים בתקשורת הקוונטית בשלב-Modulated

למרות היתרונות שלה, שלב מודולציה בתקשורת קוונטית ניצבת בפני כמה מכשולים משמעותיים שיש להתגבר עליהם על פריסה נרחבת.

שלב רעש ויציבות

מדידה שלב קוונטית דורשת רעש בשלב נמוך מאוד.התמכי לייזר, תנודות טמפרטורה של הסיבים, ורטטים מכניים כולם תורמים לריאציות שלב אקראיות. במערכות מבוססות סיבים, את הסחף בשלב ניתן מודל תהליך איטי Wiener; לולאות פיצוי פעיל עם דיוק תת-מטר נדרשים.עבור תקשורת קוונטית מבוססת לווייני, הפרעות אטמוספיריות מציגות מהירות הדורשות הסתגלות אופטית או טכניקות אינטרפרטיביות.

אובדן אופטי

כאשר פוטונים נוסעים דרך סיבים או חלל חופשי, הם אבודים בשל ספיגה ופיזור. בשני דיסקרטי-ורציונאלי-ורציונאלי QKD, אובדן ישירות מפחית את שיעור המפתח.פרוטוקולים המבוססים על שלב אינם בהכרח יותר סובלניים יותר מאשר שיטות אחרות של סיבולת, אבל הם מאפשרים זיהוי מבוסס התערבות שיכול לעבוד עם מצבים חלשים.

Detector Imperfections

גלאי צילום בודדים יש יעילות מוגבלת, ספירות אפלות, ולאחר אפקטים לאחר חסימה.בשלב קודד דיסקרטי-variable QKD, ספירות אפלות יכולות לחקות אותות תקפים, המוביל לשגיאות המפחיתות את קצב המפתח מאובטח. גבוה יעילות גבוהה מוליכים גלאי ננו אלחוטיים (SPDavated) משמשים יותר ויותר, אבל הם דורשים קירור Cryogenic.

המונחים: Countermeasures

מערכות שלב-קודדות פגיעות להתקפות ספציפיות אם לא ייושמו כראוי.לדוגמה, "ההתקפה הממושכת" מנצלת פגמים בתגובה של שלב המנטר.השיטה של המדינה היא חיונית לתקיפת מספר התפוצה (PNS) כאשר משתמשים במדינות חלשות כפייה.

כיוונים עתידיים ומחקר

תחום התקשורת הקוונטית של שלב-השלב מתפתח במהירות, עם מספר אבני מחקר מבטיחות.

החזרים קוונטיים ורשתות

כדי להרחיב את ההגעה של QKD מעבר למגבלת ההקצאה הישירה (כ-500 ק"מ סיבים), חוזרים קוונטיים מפותחים.שלב שלב-בסיס החלפה וטיהור הם טכניקות מפתח.מחקר על זיכרונות קוונטיים שיכולים לאחסן מצבי שלב פוטוניים יאפשר רשתות קוונטיות מדרגות.

תקשורת קוונטית מבוססת לווין

הלוויין הסיני Micius הדגים QKD על פני מרחקים של 1200 ק"מ באמצעות טבילה של קיטוב.משימות עתידיות חוקרות את שלב הקידוד לשיפור האינטנסיביות נגד זעזועים אטמוספירטיביים.שלב שלב עם אינטרפרומטריה חופשית יכול להשיג שיעורי מפתח גבוהים עבור תקשורת מאובטחת גלובלית.

שילוב עם תקשורת קלאסית

חלוקת גלים (WDM) מאפשרת אותות קוונטיים וקלאסיים לשתף את אותם סיבים, אבל ראמן פיזור ושילוב גלי ארבעה יכול להציג רעש.שלב-מודול-מונומנטים, במיוחד CV-QKD, רגישים פחות ללחיצת צלב קלאסית מסוימת כי הם משתמשים בזיהוי הומודין שיכול לסנן את הנושאים הקלאסיים.

שלב גבוה-התיכון

באמצעות יותר משני רמות שלב מגביר את המידע לפוטונים ויכול לשפר את סובלנות הרעש.לדוגמה, שלב זמן-בטן עם ארבעה או שמונה ממדים הוכח.

הדחף לעבר התפלגות השדה:0 (PLT:0) , למערכות של החדר, ומערכות מבוססות שדה, FLT:1 ממשיך.חברות מתפתחות מעבדות שלב מגובשות שבב ופוטניקה מבוססת סיליקון QKD Transceivers אשר מפחיתות את העלות ואת גודל. אלה מבטיח כי תקשורת קוונטית מותאמת בשלב זה ימלא תפקיד מרכזי בנקודת האינטרנט של העתיד הקוונטי.

מסקנה

שלב המודולציה היא טכניקה רבת עוצמה בלב מערכות תקשורת קוונטיות מודרניות.מהפרוטוקול BB84 היסוד ועד תוכניות מתקדמות קבועות-ארוכות-עוצמה, היכולת לקוד מידע בשלב של מדינות קוונטיות מאפשרת הפצה מאובטחת מאוד, שיעורי נתונים גבוהים, תאימות עם תשתית סיבים קיימים.

כאשר התקשורת הקוונטית נעה מניסויים במעבדה לרשתות בעולם האמיתי, המודולציה של שלב תמשיך להיות מפתח המאפשרת טכנולוגיה.שילוב של אבטחה, יעילות ומעשיות שלה הופך אותו הכרחי לבניית רשתות התקשורת הקוונטיות של המחר. ארגונים וחוקרים שואפים לפרוס פתרונות מאובטחים קוונטיים צריך לשקול מערכות מבוססות שלב כבחירה מוכחת ומקיפה.