830 pregunta cuántica real
En 2012, la distribución de claves cuánticas independientes del dispositivo (MDIQKD) introdujo un nodo intermedio no confiable para medir el estado de Bell, que puede cerrar todas las lagunas de la sonda en la red cuántica. Debido a su excelente seguridad práctica, facilidad de implementación en redes en estrella y tecnología general madura, MDIQKD se considera un módulo arquitectónico importante y eficiente en futuras redes cuánticas. Sin embargo, MDIQKD requiere que dos fotones lleguen al nodo intermedio al mismo tiempo para interferir. Su velocidad clave está limitada por la velocidad-distancia del canal cuántico sin retransmisión, lo que dificulta su aplicación a redes cuánticas interurbanas reales.
La distribución de claves cuánticas de dos campos (TFQKD) de 2018 utiliza interferencia de fotón único de larga distancia para romper la limitación de distancia de velocidad de código de los canales cuánticos sin retransmisión y mejorar en gran medida la velocidad de clave de seguridad de las comunicaciones cuánticas interurbanas. Nuestro país ha utilizado la tecnología más avanzada para realizar el experimento TFQKD con transmisión por fibra óptica de más de 830 kilómetros. Sin embargo, para compensar la rápida deriva de fase de los canales cuánticos de larga distancia y lograr el bloqueo de fase de láseres independientes de larga distancia, en los experimentos se deben utilizar tecnologías complejas y costosas de bloqueo y seguimiento de fase, lo que aumenta en gran medida la complejidad experimental y comercial. costos y pueden implementarse de manera laxa, lo que genera riesgos para la seguridad.
Por lo tanto, es una tarea ardua e importante proponer un nuevo protocolo que pueda integrar simultáneamente el excelente rendimiento de la tasa de código interurbano de TFQKD y la tecnología general madura de MDIQKD. Además, la teoría de la limitación universal de las redes de distribución de claves cuánticas señala que el protocolo MDIQKD de doble vía de interferencia de dos fotones no puede romper la limitación de velocidad-distancia de los canales cuánticos no representados.
Esta vez, inspirados por el doble entrelazamiento, Yin Hualei y Chen Zengbing, Facultad de Física de la Universidad de Nanjing, Laboratorio Estatal Clave de Física de Microestructuras Sólidas, Centro de Innovación Colaborativa para Ciencia y Tecnología de Microestructuras Artificiales, sincronizaron inteligentemente el tiempo. La codificación se convierte en codificación de tiempo asincrónica y se diseña el protocolo MDIQKD asincrónico.
Utilizando el doble entrelazamiento de partículas idénticas, el equipo desacopló dos cajas de tiempo consecutivas en la distribución de claves cuánticas de equipos de medición independientes de la codificación de fase sincrónica, y propuso un protocolo asincrónico de método posterior a la coincidencia. Además, la tecnología universal MDIQKD se utiliza para multiplexar en el tiempo el protocolo asíncrono a través del posprocesamiento clásico para construir un estado Bell de dos fotones, lo que aumenta la tasa clave de transmisión interurbana en varios órdenes de magnitud, aumenta en gran medida la distancia de transmisión y establece MDIQKD Un puente entre TFQKD y TFQKD. Los resultados relevantes se publicaron recientemente en la revista PRX Quantum de la Sociedad Estadounidense de Física.
En experimentos específicos, el equipo antes mencionado hizo coincidir aleatoriamente los cuadros de tiempo asociados con las dos fases de detección y estableció un estado de Bell asincrónico de dos fotones, permitiendo que el protocolo MDIQKD de doble vía de interferencia de dos fotones rompiera el Canal cuántico sin retransmisión Las limitaciones de velocidad-distancia hacen posible lo teóricamente imposible.
Además, dado que la diferencia de ruido de fase entre cada momento es aproximadamente igual en un corto intervalo de tiempo, se pueden posprocesar dos cuadros de tiempo relacionados con la fase sin utilizar la tecnología de bloqueo de seguimiento de fase. La coincidencia reduce en gran medida la dificultad. de experimentos. Independientemente de los parámetros de fuente asimétricos que se elijan, la matriz de densidad de componentes de pares de fotones individuales para cada usuario es siempre la misma en vectores de tiempo y fase, por lo que el nuevo protocolo es adecuado para redes cuánticas a las que los usuarios pueden acceder dinámicamente, independientemente de los usuarios existentes. parámetros de origen.
Los resultados de la simulación experimental muestran que para un sistema de 1 GHz (gigahercios), la distancia de transmisión del protocolo anterior puede alcanzar los 450 kilómetros sin seguimiento de fase, este protocolo elimina el seguimiento de fase y la tecnología de bloqueo al mismo tiempo; El efecto clave limitado, el límite de velocidad-distancia del canal cuántico sin relés, aún puede superarse a una distancia de 270 kilómetros. A distancias interurbanas, la tasa clave de este protocolo es decenas de miles de veces mayor que la del protocolo MDIQKD original. Por ejemplo, la velocidad de clave puede alcanzar 0,15 Mbit/s (megabits por segundo) cuando se transmiten 300 kilómetros, lo que es suficiente para completar varias tareas, incluido el cifrado de audio y vídeo, al mismo tiempo.
Al mismo tiempo, dado que el nuevo protocolo no requiere seguimiento de fase, todas las capacidades de detección y conteo de su detector de fotón único se pueden utilizar para la medición de señales cuánticas, lo que permite el uso de cofrecuencia fuerte. Seguimiento de la fase de luz de referencia a distancias interurbanas. Es posible lograr una tasa clave que es un orden de magnitud mayor que la del protocolo TFQKD.
Los resultados de la investigación anterior superan la limitación de velocidad-distancia de la distribución independiente de claves cuánticas de los equipos de medición de "doble vía" y son útiles para redes de comunicación cuánticas a gran escala. El revisor comentó: "Esta es una forma ingeniosa de conectar la distribución de claves cuánticas de dos campos e independiente del dispositivo de medición" y "Este trabajo proporciona sugerencias importantes para la mejora de los sistemas TFQKD".
Los primeros autores del artículo* * * son los estudiantes graduados Xie y Lu de la Facultad de Física de la Universidad de Nanjing, y los autores correspondientes son el profesor asociado Yin Hualei y el profesor Chen Zengbing de la Universidad de Nanjing. El trabajo de investigación contó con el apoyo de la Fundación Nacional de Ciencias Naturales, la Fundación Provincial de Ciencias Naturales de Jiangsu, los Fondos de Investigación Fundamental para las Universidades Centrales y los proyectos clave del Plan de Investigación y Desarrollo del Nuevo Distrito de Nanjing Jiangbei.
Revisión: Zhang Yan