Inleiding: Kwantumsleutelverdeling en de rol van fasemodulatie

Quantum Key Distribution (QKD) is een cryptische techniek die twee verre partijen in staat stelt om een gedeelde geheime willekeurige sleutel te genereren waarvan de veiligheid geworteld is in de wetten van de kwantummechanica. In tegenstelling tot klassieke cryptografie, die gebaseerd is op rekenhypothesen, biedt QKD informatie-theoretische beveiliging: elke poging van een afluisteraar (Eve) om de sleutel onvermijdelijk verstoren de quantumstaten, alert op legitieme gebruikers. In de afgelopen drie decennia, een verscheidenheid van QKD protocollen zijn voorgesteld en gedemonstreerd, codering informatie in de mate van vrijheid van enkele fotonen: polarisatie, time-bin, orbital hoekmoment, en fase. Onder deze, fase modulatie is gebleken als een van de meest praktische en breed geaccepteerde technieken, vooral in fiber-gebaseerde systemen. Door het coderen van belangrijke bits op de relatieve fase van zwakke pulsen, fase-gebaseerde protocollen bereiken hoge belangrijke tarieven over lange afstanden terwijl behoud van robuuste veiligheid tegen geavanceerde aanvallen.

Fundamentele elementen van fasemodulatie

In klassieke optica verwijst fasemodulatie naar het proces van het variëren van de fase van een lichtgolf waarbij het gemiddelde fotongetal veel minder is dan één. Bijvoorbeeld, een fasemodulator kan een keuze van 0, π/2, π of 3π/2 radians op een foton opleggen, waardoor vier verschillende quantumtoestanden ontstaan. Deze staten zijn vaak vertegenwoordigd op de Bloch bol als punten op de evenaar, en de relatieve fase tussen twee tijd-afscheidende pulsen kan worden gebruikt om een sleutel bit te coderen. Het kritische voordeel van fasecoderen is dat het kan worden uitgevoerd met hoge snelheid en laag verlies met behulp van standaard telecomcomponenten zoals lithiumniobaat (LibobO3) fasemodulatoren of silicium fotonische geïntegreerde schakelingen die het compatibel maken met bestaande glasvezelnetwerken. Bovendien zijn fase-encoded toestanden inherent robuuste verliezen tegen polarisatie-afhankelijke verliezen en kunnen worden uitgevoerd met meervoudige gegevens met behulp van klassieke gegevens met behulp van een veelvoudige spreiding (WDM).

Fasemodulatie in belangrijke QKD protocollen

Fasecodering in BB84

Het oorspronkelijke BB84 protocol, dat in 1984 door Bennett en Brassard werd voorgesteld, gebruikte vier polarisatiestaten om bits te coderen. Al snel daarna werd een fasegebaseerde replicatie ontwikkeld (vaak .phase-based BB84 . .BB84 met fase-encoding .), waar Alice vier verschillende fasetoestanden van een zwakke coherente puls bereidt: bijvoorbeeld staten met fasen 0 , π/2 , π en 3π/2. Ze kiest willekeurig een van twee geconjugeerde bases: de .Z . basis (0 en ..) of de .X . basis (π/2 en 3π/2). Bob gebruikt een passieve interferometer (bijv. een Mach-Zehnder interferometer) om de fase te meten. Na openbare discussie over de bases en foutcorrectie, komen Alice en Bob overeen met een sleutel. Terwijl polarisatie en coding goed werkt in vrije ruimte en satellietverbindingen, is fasecodering de dominante benadering in vezelsystemen geworden omdat het de birefring-geïnduceerde polarisatie drift die lange-onische pesten.

Differentiaalfaseverschuiving QKD (DPS-QKD)

Differentiaalfaseverschuiving QKD, die voor het eerst werd voorgesteld door Inoue, Waks en Yamamoto in 2002, is een protocol dat fasemodulatie benut om hoge sleutelsnelheden te bereiken.In DPS‐QKD stuurt Alice een trein van zwakke coherente pulsen met een constante interpulse faseverschuiving die wordt gekozen uit een reeks van vier (bv. 0, π/2, π, 3π/2). Bob gebruikt een 1-bit vertragingsinterferometer om de fasen van aangrenzende pulsen te vergelijken; de uitkomst van de storing toont het relatieve faseverschil. Cruciaal gezien vereist DPS‐QKD geen kwantumgeheugen aan Bob.Bobs zijde en is tolerant voor hoog kanaalverlies. De veiligheid ervan is onomselijk bewezen, en experimentele demonstraties hebben een veilige sleutelsnelheden bereikt van meer dan 1 Mbps over tientallen kilometers. Het gebruik van fasemodulatie maakt het mogelijk om een eenvoudige experimentele opstelling uit te voeren, waardoor Bob een van DPS‐QKD een van de meest praktische protocollen voor quantumnetwerken van de grootstede grootstedelijke gebieden.

Coherent One-Way (COW) QKD

Coherent One-Way (COW) QKD, geïntroduceerd door Stucki, Gisin en collega's in 2005, codeert bits in de tijd-bin of fase van twee zwakke coherente pulsen. Alice stuurt een reeks niet-leegte (signaal) en lege (decoy) pulsen, waarbij een logische .0.Punten worden weergegeven door een puls in de eerste tijdbak en een logische .1 .Punten in de tweede tijdbak. De relatieve fase tussen de twee signaalpulsen wordt gerandomiseerd voor elk paar, die voorkomt dat foton-aantal splits (PNS) aanvallen. Bob gebruikt een onevenwichtige interferometer om de fasesamenhang tussen opeenvolgende pulsen te meten. De faseinformatie wordt gebruikt voor beveiligingstesten in plaats van sleutelgeneratie; de sleutel wordt gewonnen uit de tijd-van-aankomst van de pulsen. COW‐QKD vereist alleen standaard telecommunicatiecomponenten en is succesvol ingezet in veldproeven over 250 km.

Meet-apparaat-afhankelijke QKD (MDI-QKD) met fasecodering

Meet-apparaat-afhankelijke QKD, die voor het eerst in 2012 werd voorgesteld, elimineert alle zijkanaalaanvallen aan de detectiezijde. In MDI‐QKD sturen zowel Alice als Bob zwakke coherente pulsen naar een niet-vertrouwde derde partij (Charlie) die een Bell-state meting uitvoert met behulp van een bundelsplitter en twee single-photondetectoren. Fase-codering is natuurlijk voor MDI‐QKD omdat de Bell‐state meting berust op twee-foton interferentie bij een bundelsplitter, die zeer gevoelig is voor de relatieve fase van de inkomende pulsen. Alice en Bob fase-moduleren hun pulsen, waarbij willekeurig een van de vier fasewaarden wordt gekozen. Nadat Charlie de meetresultaten bekend maakt, kunnen de gebruikers een sleutel afleveren. Fase-gecodeerde MDI‐QKD is aangetoond in honderden kilometers in in in inzetvezels en wordt beschouwd als een toonaangevende kandidaat voor toekomstige kwantumnetwerken.

Veiligheidsverbeteringen die worden geboden door fasemodulatie

Fasemodulatie draagt direct bij tot de bewezen veiligheid van QKD op verschillende manieren. Ten eerste maakt het het coderen van qubits in een hoogdimensionale Hilbertruimte mogelijk, zoals de fase van een continue variabele of een reeks discrete fasetoestanden. Hogerdimensionale toestanden maken het exponentieel moeilijker voor een afluisteraar om volledige informatie te extraheren zonder het systeem te verstoren. Tweede, fasegebonden protocollen zijn vaak afhankelijk van het fundamentele quantumprincipe dat een fase meet, waardoor een willekeurige verstoring wordt geïntroduceerd, waardoor elke poging tot interceptie een detecteerbare sporen achterlaat. In de BB84 fasevariant, bijvoorbeeld, als Eve maatregelen in de verkeerde basis heeft, draait ze willekeurig de toestand om, waardoor een foutpercentage wordt vastgesteld dat Alice en Bob kunnen detecteren tijdens foutcorrectie. Ten derde is fasemodulatie een belangrijk element van decoy-state methoden, die bescherming bieden tegen PNS-aanvallen door de intensiteit van de pulsen (vaak via amplitude of fasemodulatoren).

Praktische implementatie van fase-gecodeerde QKD

De bouw van een fase-gecodeerd QKD systeem omvat verschillende optische en elektronische componenten. De kern van de zender is een laserdiode die zwakke coherente pulsen uitzendt (gewoonlijk met een herhalingssnelheid van honderden MHz of GHz). Een fasemodulator (bijvoorbeeld een Ti-indiffused LiNbO3-golfgids) past de gekozen faseverschuiving toe. Om ervoor te zorgen dat slechts één foton (of minder) aanwezig is, wordt de pulsintensiteit met een variabele optische demping verminderd. Bij de ontvanger wordt een onevenwichtige Mach‐Zehnder interferometer (MZI) gekoppeld aan een vertragingslijn die gelijk is aan de pulsherhalingsperiode en her-combineert de aangrenzende pulsen. De twee interferometer uitgangen worden gekoppeld aan één-fotonen.

Uitdagingen en beperkingen

Ondanks het succes van de fasemodulatie in QKD presenteert de ritstabiliteit De ritstabiliteit van de ritten is het meest hardnekkig. In-field installaties ervaren thermische gradiënten, mechanische stress en akoestische ruis die de ritlengte van de rit doen driften. Zelfs een kleine verandering (op volgorde van een golflengte) leidt tot grote fasefouten, waardoor de quantumbitfoutsnelheid (QBER) wordt verhoogd. Actieve feedbacksystemen voegen complexiteit en stroomverbruik toe. De splitaanvallen van het plaatje zijn kwetsbaar als het gemiddelde fotonaantal niet zorgvuldig wordt gecontroleerd. De modulatie- en extra hardware van de ritten zijn echter noodzakelijk. De detector is niet voldoende tijd om te verplaatsen, maar de ritten zijn niet te beperken.

Toekomstige richtsnoeren en innovaties

De toekomst van fase-gebaseerde QKD is helder en er zijn verschillende onderzoeksrichtingen actief naartoe. Chip-schaal QKD] De bedoeling is om alle optische componenten te integreren... modulatoren, inferometers, ingrepen, detectoren op één enkele fotonische chip. Fasemodulatoren zijn relatief gemakkelijk te integreren op platforms zoals fotonica en indiumfosfiden. Meer groepen hebben gedemoniële QKD transceivers die gigahertz kloksnelheden bereiken. Satellite-gebaseerde QKD]]Satelliet-gebaseerde QKD]] gebruikt vaak polarisatie-encoderingscoderingscodering door het vacuümkanaal. De fasegebonden, maar ook de fasecodering van fase-satellietsatellieten is een fasegebonden, maar fasecodering is ook een fasegebonden: de Chinese Micius satelliet heeft een fasegebonden QKD-link tussen een fase- en een grondstation dat gebruik maakt van een passieve interinterferometer. Dergelijke lage-/orbitsatellietconstellaties kunnen ook

Conclusie

Fasemodulatie is niet alleen een technisch detail in de distributie van kwantumsleutels; het is een fundamentele facilitator van hoge prestaties, veilige en praktische kwantumcryptografie. Van het vroege, gecodeerde BB84-protocol tot moderne, onafhankelijk van meetapparatuur en twee-veld-systemen, fasegebaseerde methoden hebben bewezen dat ze informatie-theoretische veiligheid kunnen bieden over lange afstanden en in real-world netwerken. De compatibiliteit van fasemodulatoren met standaard telecomvezels, de beschikbaarheid van hoge-snelheid geïntegreerde fotonica en de strenge veiligheidsproeven die aan de basis liggen van fase-gecodeerde protocollen maken deze aanpak een van de meest veelbelovende voor het komende quantuminternet. Uitdagingen blijven, met name in het behoud van fasestabiliteit en het verdedigen van geavanceerde aanvallen, maar de voortdurende innovaties in nanofocale integratie en feedback zijn voortdurend aan het overwinnen.

Review of Modern Physics: Quantum key distribution
Natuurfotonica: Vooruitgang in de distributie van de quantumsleutel
Optica: Op basis van fase-gecodeerd QKD
npj Quantuminformatie: Twin-field QKD over 502 km[]