Роль фазовой модуляции в протоколах безопасного распределения квантовых ключей

Введение: квантовое распределение ключей и роль фазовой модуляции

Квантовое распределение ключей (QKD) - это криптографическая техника, которая позволяет двум удаленным сторонам - традиционно называемым Алисой и Бобом - генерировать общий, секретный случайный ключ, безопасность которого основана на законах квантовой механики. В отличие от классической криптографии, которая опирается на вычислительные предположения, QKD предлагает информационно-теоретические безопасности: любая попытка подслушивающего устройства (Eve) перехватывать ключ неизбежно нарушает квантовые состояния, предупреждая законных пользователей. За последние три десятилетия были предложены и продемонстрированы различные протоколы QKD, кодирующие информацию в степенях свободы одиночных фотонов: поляризация, тайм-бин, орбитальный момент импульса и фаза. Среди них фазовая модуляция появилась как одна из наиболее практичных и широко принятых методов, особенно в системах на основе волокон. Кодируя ключевые биты на относительную фазу слабых когерентных импульсов, фазовые протоколы достигают высоких ключевых скоростей на больших расстояниях, сохраняя надежную безопасность в QKD, подробно излагая роль фазовой модуляции в QKD, подробно описывая, как она

Основы фазовой модуляции

В классической оптике фазовая модуляция относится к процессу изменения фазы световой волны — обычно с использованием электрооптического модулятора — для кодирования информации. В квантовой установке фазовая модуляция применяется к одиночным фотонам или слабым когерентным состояниям (WCS), где среднее число фотонов намного меньше одного. Например, фазовый модулятор может накладывать на фотон выбор из 0, π/2, π или 3π/2 радианов, создавая четыре различных квантовых состояния. Эти состояния часто представлены на сфере Блоха в качестве точек на экваторе, и относительная фаза между двумя раздельными по времени импульсами может использоваться для кодирования ключевого бита. Критическим преимуществом фазового кодирования является то, что его можно выполнять с высокой скоростью и низкими потерями с использованием стандартных телекоммуникационных компонентов — таких как литий-ниобат (LiNbO3) фазовые модуляторы или кремниевые фотонные интегральные схемы — что делает его совместимым с существующими оптоволоконными сетями. Кроме того, фазовые кодируемые состояния по своей природе устойчивы к поляризованным зависимым

Фазовая модуляция в основных протоколах QKD

Фазовое кодирование в BB84

Первоначальный протокол BB84, предложенный Беннеттом и Брассардом в 1984 году, использовал четыре состояния поляризации для кодирования битов. Вскоре после этого был разработан вариант на основе фазы (часто называемый «фазовым BB84» или «BB84 с фазовым кодированием»), где Алиса готовит четыре различных фазовых состояния слабого когерентного импульса: например, состояния с фазами 0, π/2, π и 3π/2. Она случайным образом выбирает одно из двух сопряженных оснований: основание «Z» (0 и π) или основание «X» (π/2 и 3π/2). Боб использует пассивный интерферометр (например, интерферометр Маха-Зендера) для измерения фазы. После публичного обсуждения оснований и коррекции ошибок Алиса и Боб соглашаются на ключ. В то время как кодирование поляризации хорошо работает в свободном пространстве и спутниковых звеньях, кодирование фазы стало доминирующим подходом в оптоволоконных системах, поскольку оно избегает дрейфа поляризации, вызванного бирефриренцией, который поражает дальнемагистральные оптические волокна.

Дифференциальный сдвиг фаз QKD (DPS-QKD)

Дифференциальный сдвиг фаз QKD, впервые предложенный Иноуэ, Уоксом и Ямамото в 2002 году, представляет собой протокол, который использует фазовую модуляцию для достижения высоких ключевых скоростей. В DPS-QKD Алиса отправляет поезд слабых когерентных импульсов с постоянным межимпульсным фазовым сдвигом, выбранным из набора из четырех (например, 0, π/2, π, 3π/2). Боб использует 1-битный интерферометр задержки для сравнения фаз соседних импульсов; исход интерференции показывает относительную разницу фаз. Крайне важно, что DPS-QKD не требует квантовой памяти на стороне Боба и устойчив к высокой потере канала. Его безопасность была строго доказана, а экспериментальные демонстрации достигли безопасных ключевых скоростей, превышающих 1 Мбит / с на десятки километров. Использование фазовой модуляции позволяет Бобу выполнять простую экспериментальную настройку, что делает DPS-QKD одним из самых практичных протоколов для квантовых сетей столичной области.

Когерентный один путь (COW) QKD

Когерентный однонаправленный (COW) QKD, введенный Стуки, Гисином и коллегами в 2005 году, кодирует биты в тайм-бине или фазе двух слабых когерентных импульсов. Алиса посылает последовательность непустых (сигнал) и пустых (приманка) импульсов, где логическое «0» представлено импульсом в первом бине и логическое «1» — импульсом во втором бине. Относительная фаза между двумя сигнальными импульсами рандомизирована для каждой пары, что предотвращает атаки расщепления фотонов (PNS). Боб использует несбалансированный интерферометр для измерения фазовой когерентности между последовательными импульсами. Информация о фазе используется для тестирования безопасности, а не генерации ключей; ключ извлекается из времени прибытия импульсов. COW-QKD требует только стандартных телекоммуникационных компонентов и успешно развернута в полевых испытаниях на протяжении 250 км.

Измерение-устройство-независимый QKD (MDI-QKD) с фазовым кодированием

Измерение-устройство-независимый QKD, впервые предложенный в 2012 году, устраняет все атаки боковых каналов на стороне обнаружения. В MDI-QKD и Алиса, и Боб отправляют слабые когерентные импульсы ненадежной третьей стороне (Чарли), которая выполняет измерение состояния Белла с помощью сплиттера пучка и двух однофотонных детекторов. Кодирование фазы является естественным для MDI-QKD, потому что измерение состояния Белла опирается на двухфотонную интерференцию на сплиттере пучка, который очень чувствителен к относительной фазе входящих импульсов. Фаза Алисы и Боба модулирует свои импульсы, случайным образом выбирая одно из четырех фазовых значений. После того, как Чарли объявляет результаты измерения, пользователи могут просеивать ключ. Закодированный фазой MDI-QKD был продемонстрирован на протяжении сотен километров в развернутых волокнах и считается ведущим кандидатом для будущих квантовых сетей.

Улучшения безопасности, обеспечиваемые фазовой модуляцией

Фазовая модуляция непосредственно способствует доказанной безопасности QKD несколькими способами. Во-первых, она позволяет кодировать кубиты в высокоразмерном гильбертовом пространстве, например, фаза непрерывной переменной или набор дискретных фазовых состояний. Более высокоразмерные состояния делают экспоненциально более трудным для подслушивающего устройства извлечение полной информации без нарушения системы. Во-вторых, фазовые протоколы часто полагаются на фундаментальный квантовый принцип, согласно которому измерение фазы вносит случайное возмущение, гарантируя, что любая попытка перехвата оставляет обнаруживаемый след. В варианте фазы BB84, например, если Ева измеряет в неправильном основании, она случайным образом переворачивает состояние, вызывая частоту ошибок, которую Алиса и Боб могут обнаружить во время коррекции ошибок. В-третьих, фазовая модуляция является ключевым элементом методов декой-состояния, которые защищают от PNS-атак путем случайного модуляции интенсивности импульсов (часто через амплитуду или фазовые модуляторы). В фазовых состояниях дополнительная фазовая рандомизация используется для подготовки состояний, которые появляются как приманки

Практическая реализация QKD с кодировкой фазы

Построение системы QKD с фазовым кодированием включает в себя несколько оптических и электронных компонентов. Ядро передатчика представляет собой лазерный диод, излучающий слабые когерентные импульсы (обычно со скоростью повторения сотен МГц или ГГц). Фазовый модулятор (например, Ti-indiffused LiNbO3 waveguide) применяет выбранный фазовый сдвиг. Для обеспечения того, чтобы в среднем присутствовал только один фотон (или меньше), интенсивность импульса ослабляется с помощью переменного оптического аттенюатора. При приемнике несбалансированный интерферометр Маха-Зендера (MZI) с линией задержки, равной периоду повторения импульса, разделяет и повторно комбинирует смежные импульсы. Два выходных порта интерферометра соединены с однофотонными детекторами - обычно InGaAs лавинообразные фотодиоды (APD) или сверхпроводящий нанопроволочный однофотонный детектор (SNSPDs). Детекторы регистрируют время прибытия, и временная синхронизация имеет решающе

Проблемы и ограничения

Несмотря на успех, фазовая модуляция в QKD представляет несколько проблем. Стабильность фазы является наиболее постоянной проблемой. Стабильность фазы Стабильность фазы Стабильность фазы Переход в полевые установки вызывает большие фазовые ошибки, увеличивая частоту ошибок квантовых битов (QBER]]Атаки с активными системами обратной связи добавляют сложность и энергопотребление. Фотонно-числовые атаки являются проблемой слабых когерентных импульсов: фазово-кодированные системы, использующие ослабленные лазерные импульсы (], уязвимы для PNS-атак, если среднее число фотонов не тщательно контролируется.Метод декой-состояния смягчает это, но требует несовершенства детектораНесовершенства в области