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连续可变量子密钥分发和18.3Tbit / s数据信道的波分复用

发布:laserline    |    2019-01-26 00:17    阅读:1103
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量子计算的最新进展正在威胁当今通信网络的安全。预计目前的系统将升级后量子公钥密码术,以抵御量子计算攻击。不幸的是,即使是后量子密码术也无法证明对所谓的“立即存储,稍后解密”攻击的安全性,在这种攻击中,攻击者可以不被检测到地窃听线路并存储信息,直到有足够的技术进步来破坏加密。这对敏感数据的用户尤其是一种威胁,敏感数据的保密期可能长达100年或更长时间,如军队、医疗机构和政府部门。

图1 实验装置。量子信道与经典信道共同传输实验装置概述:在100个间隔为25 GHz的载波上产生24.5Gbaud偏振复用16进制正交幅度调制(PM-16QAM)信号加载在相干发射机上。陷波滤波器用于减少连续可变量子密钥分发(CV-QKD)带内放大自发发射(ASE)噪声。偏振差分相干接收机用于检测每个经典相干信道。此外,产生四个离散调制状态的CV-QKD发射机,随后是基于标准单模光纤(SSMF)的10 km传输链路,最后是具有自动实时极化和光学相位稳定的CV-QKD接收机。

对于具有无限计算能力的窃听者而言,安全的加密可以使用一次一密来实现,其中两个通信方需要共享一个秘密的对称密钥。量子密钥分发(QKD)可以提供在两个远程方之间建立对称密钥的方法,而不考虑信道潜在攻击者可用的设备。自从BB848和Ekert的协议被引入以来,QKD就已经为人所知,它通常可以分为离散变量(DV)协议,依赖于单光子的特性,以及使用相干或压缩态的连续变量(CV)协议。科研人员做了大量的工作致力于安全性验证和实验演示,表明QKD是为下一代通信系统提供安全性的一种有前途的技术。值得注意的是,QKD已经在已安装的光纤网络、点对点自由空间光纤链路和卫星链路中得到了演示。现在已经有商用的QKD解决方案,甚至有在实际中使用了QKD的例子。


图2 传输信号的光谱。在光纤链路输入端测量的光谱显示连续可变量子密钥分发(CV-QKD)信道和经典的24.5 Gbaud偏振复用16进制正交幅度调制(PM-16QAM)信号。紫色线表示每个50波分复用(WDM)信道的两个频带,黄色线表示使用18个WDM信道时的情况。CV-QKD通道的功率由传输的脉冲本地振荡器决定。

尽管研究取得了重大进展,但QKD尚未成为广泛使用的可行技术。一个障碍是成本,不仅包括QKD发送器和接收器,还包括光纤的租用或部署成本,这可能高于QKD系统本身的成本。如果将QKD信道集成到现有的通信网络体系结构中,则可以大大降低QKD链路的总成本。这意味着,QKD信道应能够在同一光纤中使用诸如波分复用(WDM)之类的复用技术与经典数据信道共同传输,而不会受到串扰的严重影响或安全性受到损害。前人已经演示了DV-QKD和一到四个开关键控信道之间的联合传输。此外,还演示了在1300 nm处传播的DV-QKD信道与在1550 nm处传播的相干调制信道共存,以及在具有两个100 Gbit/s相干信道和未调制载波的C波段中的联合传播。在实际应用中,CV-QKD具有许多特性,这使得它成为更先进的DV-QKD解决方案的一个有趣的替代方案;与体积庞大、成本高昂的单光子探测器相比,该接收器是商业上可获得的受限于散粒噪声极限的平衡光电探测器,本地振荡器(LO)用作光谱滤波器,并且发射器可以使用传统的电信设备构建。与DV-QKD相比,CV-QKD与经典通道共存的研究较少。研究表明,CV-QKD对波分复用(WDM)信道的噪声有更大的耐受能力。近年来,CV-QKD与经典强度载波和开关键控信号的联合传输已经得到证实。


图3 测量的密钥速率。当没有经典信道共同传播(绿色)和24.5 Gbaud偏振复用16进制正交幅度调制(PM-16QAM)的100个波分复用信道共同传输(粉红色)时,连续可变量子密钥分发(CV-QKD)信道在24小时内测量的密钥速率(SKRs)。

为了满足流量需求,当前一代光纤通信系统采用了完全填充的WDM传输,通常传输超过100个WDM信道。此外,转发器已经从简单的强度调制格式转变为具有更高频谱效率的相干正交幅度调制(QAM)技术。这些系统通常使用诸如掺铒光纤放大器(EDFA)之类的光学放大器,它们产生宽带放大自发辐射(ASE)噪声。以往对经典数据通道和QKD通道(包括CV和DV)联合传输的实验都受到经典信道数量的限制。此外,在大多数情况下,使用了传统的调制格式,例如低比特率开-关键控,或者根据未调制的高功率连续波激光调谐的共同传输估计了Tbit/s数据速率,而不是实际的数据传输速率。此外,先前的演示工作没有使用任何光放大数据信号,这是现代WDM系统的关键部件。对于广泛的部署,关键是要证明QKD信道可以在当前最先进的光纤网络中共存,并且不仅在非简化的实验条件下,没有EDFA或没有模拟经典信道的未调制载波。


图4 经典信道的性能。当连续可变量子密钥分发(CV-QKD)信道关闭(蓝色方块)和打开(橙色圆圈)时,测量100个经典相干偏振复用16进制正交幅度调制(PM-16QAM)信道中的每一个的误码率(BER)和在(橙色圆圈)。实蓝线表示CV-QKD信道关闭时所有信道的平均误码率,橙色虚线表示启用时的平均误码率。

近日,日本国家信息通信技术研究所(NICT)的科学家对QKD与大容量波分复用(WDM)相干数据信道的共同传输进行了实验验证,实验展示了连续可变QKD信道与100个掺铒光纤WDM信道联合传输的偏振复用16元正交幅度调制信号在24小时内成功产生密钥,数据率为18.3Tbit/s(假设有7%的前向纠错开销)。与之前在C波段的共同传输结果相比,作者展示的结果中波分复用信道数增加了10倍以上,经典比特率提高了90倍以上,表明与Tbit / s数据承载信道的共同传输。在10 km光纤上生成24 h的密钥,并确认所有经典信道均无错误且不受QKD系统的影响。同时,对于经典信道,EDFAS产生的带内ASE噪声限制了CV-QKD系统的有效性,甚至可能阻止安全通信。然而,在对QKD和经典信道进行多路复用之前,通过对噪声进行适当的陷波滤波,可以克服这一问题。作者的研究结果代表了QKD技术的一个重大飞跃,证明了QKD信号可以共享当前的网络基础设施。相关内容以《Wavelength division multiplexing of continuous variable quantum key distribution and 18.3 Tbit/s data channels》为题发表在《COMMUNICATIONS PHYSICS》杂志上。

来源: COMMUNICATIONS PHYSICS

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