A comunicação direta segura quântica (QSDC) é um ramo importante da comunicação quântica, baseado nos princípios da mecânica quântica para a transmissão direta de informações classificadas. Embora estudos experimentais de prova de princípio recentes tenham feito progressos notáveis; Os sistemas QSDC ainda precisam ser implementados na prática. Em um estudo recente, Ruoyang Qi e colegas de trabalho nos departamentos de física quântica de baixa dimensão, tecnologia da Informação, eletrônica e engenharia da informação, propôs e implementou experimentalmente um sistema quântico de comunicação seguro e prático.

No trabalho, Qi et al. analisou a segurança do sistema usando a teoria do canal de escuta da Wyner. Os cientistas desenvolveram um esquema de codificação usando códigos de verificação de paridade de baixa densidade (LDPC) de concatenação (interconectada) em um ambiente realista de alto ruído e grandes perdas. O sistema operou com uma taxa de repetição de 1 MHz por uma distância de 1,5 km e manteve uma taxa de comunicação segura de 50 bps para enviar mensagens de texto, imagens e sons de tamanho razoável. Os resultados agora são publicados em Light:Ciência e Aplicações .

O trabalho de Qi et al. destacou uma forma de QSDC que pode transferir informações diretas sem uma chave de distribuição para evitar vulnerabilidade a ataques. No trabalho, a equipe usou um laser de 1550 nm para gerar fótons únicos que transportavam informações quânticas seguras, os cientistas foram capazes de decodificar com sucesso as informações após o recebimento. O método era confiável mesmo em ambientes realistas causados ​​por alta perda de fótons ou erros introduzidos devido ao ruído. O código LDPC padrão que eles usaram no estudo para melhor desempenho de correção de erros foi implementado pelo Comitê Consulado para Sistemas de Dados Espaciais (CCDS) para aplicações próximas à terra e no espaço profundo.

A segurança global depende de infraestruturas de comunicação seguras. Atualmente, a comunicação é protegida por meio de técnicas de criptografia, como o esquema de chave pública RSA. A capacidade de sigilo é definida como a suprema de todas as taxas de transmissão alcançáveis ​​com segurança e confiabilidade. Na prática, é difícil estimar a capacidade de sigilo em sistemas de comunicação clássicos devido à dificuldade de detecção de espionagem. Em sistemas quânticos, fótons únicos ou pares de fótons emaranhados podem transmitir informações digitais, dando origem a novos recursos na criptografia quântica, inatingível em meios de transmissão clássicos. Em princípio, é impossível escutar sem perturbar a transmissão, de modo a evitar a detecção em tal configuração.

O primeiro protocolo de comunicação quântica foi proposto por Bennett e Brassard (BB84), com base na exploração de recursos quânticos para um acordo de chave seguro. Em 2000, O QSDC foi proposto para comunicar informações diretamente sem uma chave secreta e eliminar lacunas associadas ao armazenamento de chaves e ataques de texto cifrado. Estudos subsequentes de prova de princípio demonstraram fótons únicos baseados em QSDC e pares emaranhados, incluindo estudos onde uma fibra pode se comunicar através de uma distância significativa de 500 m usando protocolos QSDC de duas etapas.

No presente estudo, Qi et al. implementou um sistema de comunicação direta segura quântica prática usando um procedimento baseado no protocolo DL04 (sem uma chave). De acordo com o modelo de escuta da Wyner, para implementar o sistema QSDC na prática, o sistema deve funcionar abaixo da capacidade de sigilo do canal para transmissão segura de informações. Os cientistas estimaram a capacidade de sigilo do sistema usando códigos de verificação de paridade de baixa densidade (LDPC) interconectados. Eles projetaram o esquema para operar especificamente em regimes de alta perda e alta taxa de erro, exclusivo para comunicação quântica. Qi et al. assim, demonstrou que a plataforma QSDC poderia funcionar efetivamente em um ambiente realista.

Ao implementar o protocolo DL04-QSDC, os cientistas incluíram um discreto 'canal principal' sem memória e um 'canal de escuta telefônica'. O canal principal representava a rede entre o emissor e o receptor. O canal de escuta telefônica representava a rede entre os usuários legítimos e o intruso. O protocolo continha quatro etapas:

1. Hipoteticamente, Bob é um receptor legítimo de informações que prepara uma sequência de qubits. Cada qubit está aleatoriamente em um dos quatro estados (| 0> , | 1> , | +> e | -> ) Ele então envia a sequência de estados para o remetente das informações, Alice.
2. Ao receber a sequência de fóton único, Alice escolhe aleatoriamente alguns deles e os mede aleatoriamente. Ela publica as posições, a base de medição e os resultados da medição desses fótons individuais. Bob compara essas informações com seus preparativos para esses estados, estima a taxa de erro de bits do canal Bob para Alice e informa Alice por meio de um canal de transmissão. Alice pode então estimar a capacidade máxima de sigilo (Cs) do canal Bob-para-Alice usando a teoria do canal de escuta telefônica.
3. Alice escolhe uma sequência de codificação para os qubits restantes. Este esquema é baseado nos códigos LDPC interconectados. Ela constrói as palavras-código e as devolve a Bob.
4. Bob decodifica a mensagem de Alice a partir dos sinais que recebeu após medir os qubits na mesma base que preparou. Se a taxa de erro estiver abaixo da capacidade de correção do código LDPC, a transmissão foi bem-sucedida. Eles então começam novamente a partir da etapa 1 para enviar outra parte da mensagem secreta até que transmitam completamente a mensagem inteira. Se a taxa de erro for maior do que a capacidade de correção do código LDPC, nem Bob nem a bisbilhoteira Eva podem obter informações, nesse caso, eles encerram o processo.

Qi et al. usou lasers altamente atenuados como uma fonte aproximada de fóton único na implementação. Para uma melhor aproximação de uma única fonte de fóton para detectar ataques de espionagem, um método de distribuição de chave quântica de estado decoy pode ser usado. Se a capacidade de sigilo for diferente de zero para qualquer canal de escuta telefônica, ou seja, se o receptor legítimo tiver um canal melhor do que o intruso, existe algum esquema de codificação que atinge o sigilo perfeito de acordo com o modelo Wyner. Contudo, nem todos os esquemas de codificação podem garantir a segurança, que depende essencialmente dos detalhes da codificação.

Os cientistas então implementaram o esquema em um sistema de fibra com codificação de fase, para comunicação quântica em longas distâncias. Nesta configuração, Bob prepara uma sequência de pulsos de fóton único, após o controle de polarização e atenuação, os pulsos são preparados como qubits aleatórios e enviados ao site de Alice por meio de uma fibra de 1,5 km de comprimento. Na chegada ao site de Alice, é separado em duas partes, onde um vai para o módulo de codificação e o outro para o módulo de controle para verificação de erros, controlado por matrizes de portas programáveis ​​em campo (FPGAs) na configuração.

A codificação ocorre simultaneamente no módulo de codificação. Se a taxa de erro for menor que o limite, a parte de codificação tem permissão para enviar os fótons individuais de volta para Bob através da mesma fibra, onde eles são guiados para detectores de fóton único para medição. Os cientistas controlaram a configuração que consiste em moduladores trifásicos (PM) e detectores de fóton único (SPD) para codificar mensagens nos dois locais usando os FPGAs, que foram posteriormente controlados por computadores de posição superior.

Nos resultados experimentais, os cientistas representaram a informação mútua versus a perda do sistema como duas linhas retas. A área entre essas duas linhas formava a área segura da teoria da informação. Como resultado, para um esquema de codificação com uma taxa de informação dentro da área especificada, a segurança pode ser garantida de forma confiável. Usando a configuração experimental, Qi et al. atingiu uma taxa de informação segura de 50 bps, bem dentro da área segura definida.

Os cientistas ilustraram um esquema de codificação para garantir a confiabilidade da transmissão para QSDC com base em códigos LDPC interconectados. O pré-processamento foi baseado em famílias de hash universais (UHF). No processo, para cada mensagem (m), o remetente Alice gera uma sequência local de bit aleatório (r) e sementes aleatórias públicas. Próximo, ela mapeia para um vetor (u) pelo inverso de um UHF (UHF) escolhido apropriadamente ^-1 ), que é então alterado pelo código LDPC para (v), mapeado para a palavra-código (c) e enviado para o site do receptor.

Na teoria da informação, o teorema da codificação de canal ruidoso estabelece comunicação confiável para qualquer grau de contaminação de ruído de um canal de comunicação. Para garantir a confiabilidade das informações, Alice modula os pulsos que chegam ao receptor legítimo Bob, que faz as medições na mesma base em que as preparou. Devido a perdas e erros, Bob recebe uma palavra-código degradada, que ele desmapa e decodifica após o pós-processamento com UHF para obter a mensagem.

Desta maneira, Qi et al. implementou um sistema QSDC prático em um ambiente realista de alto ruído e alta perda. Entre outras técnicas, os cientistas usaram um código LDPC para reduzir erros e perdas no sistema. Eles analisaram a segurança do sistema em profundidade usando a teoria do canal de escuta da Wyner. Quando a capacidade de sigilo era diferente de zero; um esquema de codificação com uma taxa de informação inferior à capacidade de sigilo garantiu a segurança e a confiabilidade da transmissão da informação. No total, os cientistas obtiveram uma taxa de informação segura de 50 bps a uma distância praticamente significativa de 1,5 km. Qi et al. implicam que esses parâmetros são prematuros e vislumbram um sistema aprimorado que pode integrar a tecnologia existente para uma taxa mais alta de transmissão de informações de dezenas de kbps no futuro.

© 2019 Science X Network