Îmbunătățirea distribuției cheilor cuantice subacvatice, independent de dispozitivele de măsurare continuă variabilă, prin cataliza cu zero fotoni

Distribuția cheilor cuantice subacvatice (QKD) este dificilă, dar importantă pentru comunicațiile subacvatice moderne într-un mediu nesigur. Aceasta poate garanta o comunicare subacvatică sigură între submarine și poate spori siguranța nodurilor critice ale rețelei. Pentru a îmbunătăți performanța distribuției cheilor cuantice continue variabile (CVQKD) subacvatice în ceea ce privește distanța maximă de transmisie și rata cheii secrete, adoptăm distribuția cheilor cuantice independent de dispozitivele de măsurare (MDI) cu cataliza cu zero fotoni (ZPC) efectuată la emițătorul uneia dintre părți, care este MDI-CVQKD bazat pe ZPC. Simularea numerică arată că schema care implică ZPC, care este în esență o operație gaussiană, funcționează mai bine decât schema care implică scăderea unui singur foton (SPS) în cazul asimetric extrem. Transmisia schemei implicate de ZPC este mai lungă decât cea a schemei implicate de SPS. În plus, luăm în considerare efectele temperaturii, salinității și unghiului de elevație solară asupra performanței sistemului în apa de mare pură. Distanța maximă de transmisie scade odată cu creșterea temperaturii și scăderea unghiului de elevație al luminii solare, în timp ce se modifică puțin pe o gamă largă de salinitate.

Diagrama schematică a distribuției cheilor cuantice variabile continue (MDI-CVQKD) bazată pe cataliza cu zero fotoni (ZPC) prin canalul subacvatic. Hom: detectare homodină, Het: detectare heterodină, PD: detector de fotoni, BS: divizor de fascicul.

Există două categorii de protocoale, și anume protocolul QKD cu variabilă discretă (DV) [4,5] și protocolul QKD cu variabilă continuă (CV) [6–8]. DVQKD, propus în 1984 odată cu propunerea lui Bennett-Brassard 1984 (BB84) [9], codifică diferite stări ale unui singur foton pentru a transmite informații. În prezent, este complet dezvoltat și a fost experimentat în spațiu liber, fibră optică și așa mai departe. Cu toate acestea, DVQKD poate fi ușor interferat de diverși factori, cum ar fi zgomotul de fundal, lumina și zgomotul componentelor. În plus, deoarece sursa cu un singur foton este destul de greu de realizat chiar și în zilele noastre, oamenii folosesc surse laser de atenuare pentru substituție, ceea ce ar putea avea efecte negative asupra ratei cheii secrete. Din fericire, la două decenii după propunerea BB84, s-a născut CVQKD, care se baza pe continuitatea stării proprii cuantice și modulează informații despre variabilele continue ale stării cuantice, cum ar fi faza și amplitudinea, pentru comunicații. Comparativ cu DVQKD, CVQKD poate filtra automat zgomotul de fundal cu o sursă de lumină simplă, în același timp. Ulterior, CVQKD a devenit compatibil cu sistemele contemporane de comunicații optice, ceea ce îl face un subiect de actualitate în domeniul QKD rapid. Mai mult, în ceea ce privește dispozitivele de măsurare, CVQKD se bazează pe detectoare homodine sau heterodine, care sunt mai eficiente pentru a obține rate de cheie secrete mai mari decât detectoarele cu un singur foton. Desigur, CVQKD este încă imperfect. Există dezavantaje precum distanța scurtă de transmisie, dar aceste defecte sunt depășite prin avansarea tehnologiei. În prezent, au existat mai multe protocoale CVQKD în ceea ce privește modelul de sistem, cum ar fi CVQKD punct-la-punct (PP) și CVQKD independent de dispozitivul de măsurare [10,11] (MDI) [12]. PP-CVQKD, interpretat literal, este realizat direct între două părți, Alice și Bob. Este vulnerabil la atacuri care vizează imperfecțiunea detectorului. Cu toate acestea, în MDI-CVQKD, Alice și Bob pregătesc și transmit mai întâi stări coerente către terțul Charlie. Ulterior, Charlie interferează cu stările recepționate pentru a efectua măsurători Bell și anunță public rezultatele măsurătorilor. În cele din urmă, cheia secretă poate fi partajată între Alice și Bob după post-procesare. Comparativ cu PP-CVQKD, MDI-CVQKD este conceput pentru a rezolva defectul imperfecțiunii detectorului. Poate rezista atacurilor pe canalul lateral, cum ar fi atacul de calibrare a oscilatorului local [13], atacul de lungime de undă [14] și atacul de saturație a detectorului [15].

În prezent, CVQKD este întotdeauna realizat prin spațiu liber și canal de fibră optică, ambele fiind semnificative, dar provocatoare. Transmisia luminii în canalul de aer poate fi perturbată de mediul natural, cum ar fi turbulențele atmosferice [16-18], ploaia, ceața, lumina soarelui și așa mai departe. Canalul de fibră optică pare imun la perturbații externe, dar este dificil de conectat prin cablu și ar putea fi ușor distrus. CVQKD subacvatic poate fi mai semnificativ decât canalul de aer sau de fibră optică într-un anumit sens. Metodele comune QKD pentru două vehicule subacvatice în zilele noastre utilizează periscoape și legături prin satelit. Cu toate acestea, aceste metode necesită ca vehiculele subacvatice să se ridice la suprafața mării. Din fericire, CVQKD poate fi implementat în mod fezabil prin canal subacvatic în practică, ceea ce oferă o schemă mai convenabilă pentru ca vehiculele subacvatice să comunice în siguranță. Cu toate acestea, realizarea CVQKD subacvatic este mai dificilă, având în vedere atenuarea cauzată de curenții oceanici, impactul molecular, microorganisme, împrăștiere și așa mai departe. Acești factori ar putea exercita efecte adverse asupra entanglementului dintre cuante, ducând astfel la distanțe scurte de transmisie.

Recent, au existat mai multe lucrări pentru QKD subacvatic. De exemplu, John a propus protocolul BB84 subacvatic folosind perechi de fotoni inseparați prin polarizare [19]. Bouchard a sugerat un protocol BB84 de înaltă dimensionalitate cu fotoni cu moment cinetic orbital (twisted photons) în condiții exterioare [20]. După aceea, Ruan a propus o metodă de estimare a parametrilor pentru a îmbunătăți performanța CVQKD [21]. Cu toate acestea, implementarea MDI-QKD subacvatic a așteptat câteva cercetări pentru a umple lacunele. Rețineți că, în ciuda securității absolute a dispozitivului MDI-QKD, distanța sa de transmisie este nesatisfăcătoare și, prin urmare, este dificil de implementat în medii dure, cum ar fi apa de mare. Din fericire, pentru a prelungi distanța de transmisie, operațiile non-gaussiene [22], cum ar fi scăderea unui singur foton (SPS) [23] și cataliza cu zero fotoni (ZPC) [24], sunt cele mai frecvent utilizate mijloace. Un articol a prezentat un plan de operare a scăderii unui singur foton (SPS) în CVQKD bazat pe fibră [25].

Distanța de transmisie a CVQKD subacvatic prin operații gaussiene. Motivați de caracteristicile atenuării fără zgomot, realizăm cataliza cu zero fotoni, care poate menține comportamentul gaussian al fotonului pentru a prelungi distanța maximă de transmisie a sistemului CVQKD subacvatic cu o rată ridicată a cheii secrete realizabilă.

Referințe

1. Vazirani, U.; Vidick, T. Fully Device Independent Quantum Key Distribution. ACM 2019, 62,133.
2. Eriksson, T.; Hirano, T.; Puttnam, B.; Rademacher, G.; Luis, R.; Fujiwara, M.; Namiki, R.; Awaji, Y.; Takeoka, M.; Wada, N.; et al. Wavelength division multiplexing of continuous variable quantum key distribution and 18.3 Tbit/s data channels. Phys. 2019, 2,1301-1350.
3. Wang, Y.J.; Mao, Y.Y.; Huang, W.T.; Huang, D.; Guo, Y. Optical frequency comb-based multichannel parallel continuous-variable quantum key distribution. Express 2019, 27,25314-25329.
4. Gessner, M.; Pezze, L.; Smerzi, A. Efficient entanglement criteria for discrete, continuous, and hybrid variables. Rev. A 2016, 94, 020101.
5. Pirandola, S.; Andersen, U.L.; Banchi, L.; Berta, M.; Bunandar, D.; Colbeck, R.; Englund, D.; Gehring, T.; Lupo, C.; Ottaviani, C.; et al. Advances in Quantum Cryptography. arXiv 2019, 1906,
6. Ye, W.; Zhong, H.; Liao, Q.; Huang, D.; Hu, L.Y.; Guo, Y. Improvement of self-referenced continuous-variable quantum key distribution with quantum photon catalysis. Express 2019, 27,17186-17198.
7. Liao, Q.; Guo, Y.; Huang, D.; Huang, P.; Zeng, G. Long-distance continuous-variable quantum key distribution using non-Gaussian state-discrimination detection. New J. Phys. 2018, 20, 023015.
8. Zhao, W.; Guo, Y.; Zhang, L.; Huang, D. Coherent communications; Phase compensation; Phase estimation;

Phase noise; Phase shift; Quantum key distribution. Opt. Express 2019, 27,1838-1853.

9. Shor, P.; Preskill, J. Simple Proof of Security of the BB84 Quantum Key Distribution Protocol. Rev. Lett. 2000, 85,441-444.
10. Braunstein, S.; Pirandola, S. Side-Channel-Free Quantum Key Distribution. Rev. Lett. 2012, 108, 130502.
11. Lo, H.; Curty, M.; Qi, B. Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution. Rev. Lett. 2012,108,130503.
12. Pirandola, S.; Ottaviani, C.; Spedalieri, G.; Weedbrook, C.; Braunstein, S.; Lloyd, S.; Gehring, T.; Jacobsen, C.; Andersen, U. High-rate measurement-device-independent quantum cryptography. Photonics 2015, 9, 397-402. [CrossRef] [CrossRef]
13. Ma, X.; Sun, S.; Jiang, M.; Liang, L. Local oscillator fluctuation opens a loophole for Eve in practical continuous-variable quantum-key-distribution systems. Phys. Rev. A 2013, 88, 022339.

14. Huang, J.; Weedbrook, C.; Yin, Z.; Wang, S.; Li, H.; Chen, W.; Guo, G.; Han, Z. Quantum hacking of a continuous-variable quantum-key-distribution system using a wavelength attack. Rev. A 2013, 87, 062329.
15. Qin, H.; Kumar, R.; Alleaume, R. Quantum hacking: Saturation attack on practical continuous-variable quantum key distribution. Rev. A 2016, 94, 012325.
16. Paterson, C. Atmospheric Turbulence and Orbital Angular Momentum of Single Photons for Optical Communication. Rev. Lett. 2005, 94,153901.
17. Berman, G.; Chumak, A. Photon distribution function for long-distance propagation of partially coherent beams through the turbulent atmosphere. Rev. A 2006, 74, 013805.
18. Semenov, A.; Toppel, F.; Vasylyev, D.; Gomonay, H.; Vogel, W. Homodyne detection for atmosphere channels. Rev. A 2012, 85, 013826.
19. Gariano, J.; Djordjevic, I. Theoretical study of a submarine to submarine quantum key distribution systems. Opt. Express 2019, 27,3055-3064.

20. Bouchard, F.; Sit, A.; Hufnagel, F.; Abbas, A.; Zhang, Y.; Heshami, K.; Fickler, R.; Marquardt, C.; Leuchs, G.; Boyd, R.; et al. Underwater Quantum Key Distribution in Outdoor Conditions with Twisted Photons. arXiv 2018,1801,
21. Ruan, X.; Zhang, H.; Zhao, W.; Wang, X.;Li,X.; Guo, Y. Discrete-Modulated Continuous-Variable Quantum Key Distribution over Seawater Channel. Sci. 2019, 9,4956.
22. Kitagawa, A.; Takeoka, M.; Sasaki, M.; Chefles, A. Entanglement evaluation of non-Gaussian states generated by photon subtraction from squeezed states. Rev. A 2006, 73, 042310.
23. Guo, Y.; Liao, Q.; Wang, Y.; Huang, D.; Huang, P.; Zeng, G. Performance improvement of continuous-variable quantum key distribution with an entangled source in the middle via photon subtraction. Rev. A 2017, 95, 032304.
24. Guo, Y.; Ye, W.; Zhong, H.; Liao, Q. Continuous-variable quantum key distribution with non-Gaussian quantum catalysis. Rev. A 2019, 99, 032327.
25. Peng, Q.; Chen, G.; Li, X.; Liao, Q.; Guo, Y. Performance Improvement of Underwater Continuous-Variable Quantum Key Distribution via Photon Subtraction. Entropy 2019, 21,1011.

Sursa: Yuang Wang, Shanhua Zou, Yun Mao și Ying Guo. Improving Underwater Continuous-Variable Measurement-Device-Independent Quantum Key Distribution via Zero-Photon Catalysis. Entropy 2020, 22, 571. https://doi.org/10.3390/e22050571. Licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu