A distribuição quântica de chaves (QKD) é um método usado para trocas de chaves secretas ou seguras entre dois usuários remotos. Usando comunicação segura, Os cibercientistas pretendem, em última instância, estabelecer uma rede quântica global. Os testes de campo existentes sugerem que tais redes quânticas são viáveis. Para alcançar uma rede quântica prática, vários desafios devem ser superados, incluindo a realização de topologias variadas em grandes escalas, manutenção de rede simples e robustez para falhas de nó. Em um novo relatório agora publicado em Avanços da Ciência , Teng-Yun Chen e uma equipe de pesquisa em física quântica, informação quântica e ciências da informação interdisciplinar na China, apresentou uma operação de campo de uma rede de área metropolitana quântica com 46 nós. Eles realizaram diversas estruturas topológicas e operaram a rede por 31 meses por meio de equipamentos padrão. Eles então realizaram o emparelhamento QKD e o gerenciamento de chaves para comunicações seguras, incluindo telefone de voz em tempo real, mensagens de texto e transmissão de arquivos com criptografia única para suportar 11 pares de usuários para fazer chamadas de áudio simultâneas. A técnica pode ser combinada com um backbone quântico intermunicipal e via links solo-satélite para formar uma rede quântica global.

Rede quântica global

Nesse trabalho, Chen et al. construiu uma rede quântica de área metropolitana de 46 nós em toda a cidade de Hefei. A distribuição quântica de chaves (QKD) visa, em última instância, construir uma rede quântica global onde os tráfegos de comunicação têm garantias de segurança teóricas da informação. Uma rede QKD global pode manter dois tipos de links, incluindo a rede terrestre e a rede de satélite, onde a rede terrestre pode ser dividida em um backbone, redes metropolitanas e de acesso para cobrir distâncias intermunicipais e distâncias de fibra para casa. Os pesquisadores estudaram a viabilidade do QKD entre dois usuários por meio de espaço livre de longa distância, fibras de telecomunicações e links terra-satélite simulados. Exemplos de testes de campo de redes QKD que já são realizados incluem uma rede de três usuários por DARPA, uma rede de seis nós na Europa, a rede SwissQuantum, bem como uma rede tipo malha de seis nós em Tóquio. A rede de satélites forneceu um método promissor para realizar o intercâmbio intercontinental, comunicação segura como resultado de baixa atenuação de transmissão no espaço, servindo como um retransmissor confiável para conectar nós de usuários remotos ou sub-redes. Cientistas implementaram recentemente uma rede de satélite de grande escala contendo quatro redes de área metropolitana, uma rede de backbone e dois links terrestres de satélite. Contudo, esses experimentos e redes de QKD ainda são preliminares, a equipe, portanto, abordou os desafios em torno da realização de uma rede QKD prática em larga escala.

Chen et al. construiu uma rede quântica de área metropolitana de 46 nós para conectar 40 nós de usuário, três relés confiáveis ​​e três interruptores ópticos, em todo Hefei. A rede cobriu toda a área urbana e conectou várias organizações nos bairros da cidade, incluindo governos, bancos, hospitais, e universidades de pesquisa. Eles primeiro revisaram as estruturas topológicas básicas em uma rede onde o método mais robusto usava uma topologia totalmente conectada onde cada usuário era conectado diretamente a todos os outros usuários da rede. O tipo de rede não exigia que os usuários confiassem uns nos outros. Os nós de usuário também podem ser conectados por meio de um switch central em uma rede semelhante a uma estrela, onde dois usuários podem construir chaves seguras com um número suficiente de retransmissões confiáveis. Por exemplo, o backbone de Xangai-Pequim usou essa técnica; Contudo, a desvantagem é que os usuários devem confiar na retransmissão. Chen et al. construiu três sub-redes no USTC, QuantumCTek e a Biblioteca Municipal, que estão distribuídas a 15 km de distância.

Topologia de rede e equipamento QKD padrão

Os pesquisadores perceberam dois tipos básicos de estruturas de conexão topológica, incluindo a conexão completa entre três sub-redes e conexões em estrela para redes de acesso local. Durante os experimentos, a equipe usou um switch ótico conhecido como um nó confiável no centro da sub-rede em forma de estrela. Usando o nó confiável, eles atribuíram chaves clássicas entre os usuários para funcionar como um roteador clássico, enquanto os comutadores ópticos all-pass agiam como roteadores quânticos para redistribuir os sinais quânticos. Com base na configuração, quaisquer dois usuários podem se comunicar diretamente sem interferir com outros usuários. Chen et al. desenvolveu ainda um tipo de módulo de chave que compreende quatro portas de entrada e oito portas de saída, o outro continha um switch de 16 portas que permitia a oito pares de usuários se comunicarem simultaneamente. A equipe usou um protocolo para gerar chaves secretas entre usuários conectados diretamente e retransmissores confiáveis. Se um usuário tivesse um transmissor quântico e o outro tivesse um receptor quântico, eles poderiam gerar chaves. A plataforma, portanto, continha dois tipos de usuários; aqueles diretamente conectados a um interruptor contendo um transmissor e um receptor, e usuários conectados diretamente a um relé confiável com apenas um transmissor quântico. Como resultado, os cientistas usaram dois tipos de equipamento; um para transmitir sinais e outro para transmitir e receber sinais ao mesmo tempo. Após a reconciliação de base e correção de erros, eles padronizaram o equipamento QKD para reduzir significativamente o número de dispositivos usados.

Projetando uma estratégia de comutação:Aplicativos e robustez da rede

Chen et al. desenvolveu um processo de gerenciamento de chaves para permitir que os usuários gerassem chaves em alta prioridade. Para conseguir isso, eles projetaram uma estratégia de comutação baseada no número de chaves armazenadas nas memórias locais para os usuários. Em seguida, eles conectaram um switch óptico de 16 portas a 16 usuários para obter um total de 120 esquemas de emparelhamento de chaves possíveis, pelos quais dois usuários poderiam ser conectados para o processo QKD por um tempo de comutação variando de 10 a 60 minutos. Para entrar na rede, um novo usuário primeiro tinha que enviar um quadro de pulsação de seu dispositivo QKD para o servidor de gerenciamento de chave para autenticação e, em seguida, enfileirar o dispositivo para gerar chaves. Para segurança, a equipe seguiu a análise de segurança BB84 de estado-engodo padrão e gerou a taxa de chave secreta do protocolo de distribuição de chave quântica BB84. Com base na aplicação da rede, os usuários fizeram uso das chaves seguras geradas para transferir informações com segurança. Usando a rede, Chen et al. transmitiu informações criptografadas, incluindo telefone de voz em tempo real, mensagem instantânea, e arquivos digitais com o método de criptografia one-time pad. O atraso total no processo de criptografia foi inferior a 50 µs. Quando os pesquisadores testaram a capacidade da rede por 50 minutos, todos os 22 usuários podem fazer chamadas simultaneamente por seis minutos, dentro da rede quântica. Para testar a estabilidade e robustez do sistema, eles operaram a rede continuamente por 31 meses.

Desta maneira, Teng-Yun Chen e colegas desenvolveram uma rede de distribuição de chave quântica metropolitana (QKD) prática e em grande escala com produtos QKD comerciais para uso prático em Hefei, China. A equipe poderia escalar a rede quântica adicionando mais usuários e relés para se conectar ao backbone de Xangai-Pequim como uma rede nacional. A rede também pode ser combinada com outros protocolos QKD para superar as imperfeições dos dispositivos de medição para uma comunicação eficiente e segura.

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