(a) A rede quântica está totalmente conectada por cinco sub-redes (A, B, C, D e E são representados por vermelho, laranja, verde, azul, e preto, respectivamente). As linhas pontilhadas entre as sub-redes (10 links com cores diferentes) são os pares de fótons de energia-tempo correlacionados entre as sub-redes. (b) Cada sub-rede (como a sub-rede A) é equipada com um divisor de feixe 1 × 3 e um módulo de controle de atraso, que divide um par de fótons emaranhados correlacionados com a frequência (sinais vermelhos e azuis) e os envia para três usuários aleatoriamente. Crédito:Zhantong Qi, Yuanhua Li, Yiwen Huang, Juan Feng, Yuanlin Zheng, e Xianfeng Chen
A comunicação direta segura Quantum (QSDC) baseada no emaranhamento pode transmitir informações confidenciais diretamente. Cientista na China explorou uma rede QSDC baseada no emaranhamento tempo-energia e geração de soma-frequência. Os resultados mostram que quando quaisquer dois usuários estão realizando QSDC em mais de 40 quilômetros de fibra óptica, e a taxa de transmissão de informações pode ser mantida em 1 Kbp / s. Nosso resultado estabelece a base para a realização de QSDC de longa distância global e baseado em satélite no futuro.
A comunicação quântica apresentou um passo revolucionário na comunicação segura devido à sua alta segurança das informações quânticas, e muitos protocolos de comunicação foram propostos, como o protocolo de comunicação direta segura quântica (QSDC). O QSDC com base no emaranhamento pode transmitir informações confidenciais diretamente. Qualquer ataque de QSDC resulta apenas em um número aleatório, e não pode obter nenhuma informação útil dele. Portanto, QSDC tem etapas de comunicação simples e reduz potenciais brechas de segurança, e oferece garantias de alta segurança, que garante a segurança e as propostas de valor das comunicações quânticas em geral. Contudo, a incapacidade de distinguir simultaneamente os quatro conjuntos de estados emaranhados ortogonais codificados em protocolos QSDC baseados em emaranhamento limita sua aplicação prática. Além disso, é importante construir uma rede quântica para fazer amplas aplicações de comunicação direta segura quântica. A demonstração experimental do QSDC é extremamente necessária.
Em um novo artigo publicado em Ciência leve e aplicação , uma equipe de cientistas, liderado pelo Professor Xianfeng Chen do Laboratório Estadual de Sistemas e Redes de Comunicação Ótica Avançada, Escola de Física e Astronomia, Universidade Jiao Tong de Xangai, China e o professor Yuanhua Li do Departamento de Física, Jiangxi Normal University, A China explorou uma rede QSDC baseada no emaranhamento tempo-energia e geração de soma-frequência (SFG). Eles apresentam uma rede QSDC baseada em emaranhamento totalmente conectada, incluindo cinco sub-redes, com 15 usuários. Usando as correlações de frequência dos quinze pares de fótons via multiplexação por divisão de tempo e multiplexação por divisão de comprimento de onda densa (DWDM), eles realizam um experimento de QSDC de fibra de 40 quilômetros, implicando uma transmissão em duas etapas entre cada usuário. Nesse processo, o processador de rede divide o espectro da fonte de fóton único em 30 canais da International Telecommunication Union (ITU). Com esses canais, haverá um evento de coincidência entre cada usuário ao realizar uma medição do estado do sino com base no SFG. Isso permite que os quatro conjuntos de estados emaranhados codificados sejam identificados simultaneamente, sem pós-seleção.
É bem sabido que a segurança e confiabilidade da transmissão de informações para QSDC é uma parte essencial da rede quântica. Portanto, eles implementaram métodos de transmissão em bloco e transmissão passo a passo em QSDC com estimativa da capacidade de sigilo do canal quântico. Depois de confirmar a segurança do canal quântico, o usuário legítimo executa operações de codificação ou decodificação dentro desses esquemas de forma confiável.
(a) A estrutura física da rede quântica. O espectro é dividido em 30 canais de grade ITU via 100 GHz-DWDM. CH17 a CH31 são numerados de 1 a 15, respectivamente, e os números com sinal oposto denotam os canais CH33-CH47. A arquitetura de alocação de comprimento de onda é omitida nos pequenos blocos trapezoidais multiplex. Cada pequeno bloco com símbolos digitais coloridos constrói um grupo de comprimento de onda distribuído pelo processador de rede. (b) Cada par de fóton sinal e fóton livre é indicado pelas mesmas barras coloridas com e sem sinal digital oposto. (c) Ilustração do progresso do SFG. Os fótons gerados em pares pelo processo de conversão paramétrica espontânea são multiplexados no experimento SFG para realizar a codificação e a comunicação quântica. Crédito:Zhantong Qi, Yuanhua Li, Yiwen Huang, Juan Feng, Yuanlin Zheng, e Xianfeng Chen
Esses cientistas resumem os resultados do experimento de seu esquema de rede:
"Os resultados mostram que quando dois usuários estão realizando QSDC em mais de 40 quilômetros de fibra óptica, a fidelidade do estado emaranhado compartilhado por eles ainda é maior do que 95%, e a taxa de transmissão de informações pode ser mantida em 1 Kbp / s. Nosso resultado demonstra a viabilidade de uma rede QSDC proposta, e, portanto, estabelece a base para a realização de QSDC de longa distância global e baseado em satélite no futuro. "
"Com este esquema, cada usuário se interconecta com qualquer outro por meio de pares compartilhados de fótons emaranhados em diferentes comprimentos de onda. Além disso, é possível melhorar a taxa de transmissão de informação superior a 100 Kbp / s no caso dos detectores de alto desempenho, bem como controle de alta velocidade no modulador em uso ", acrescentaram.
“Vale a pena destacar o presente trabalho, que oferece conexão QSDC ponto a ponto de longa distância, combinado com a rede quântica de repetidor seguro recentemente proposta de QSDC, que oferece comunicação segura ponta a ponta em toda a Internet quântica, permitirá a construção de rede quântica segura usando a tecnologia atual, percebendo o grande potencial do QSDC na comunicação futura ", prevêem os cientistas.
