Rețele globale de comunicare cuantică

Comunicarea cuantică (QuCom) utilizează concepte ale teoriei informației cuantice, în special teorema fără clonare și teorema indistinguibilității stărilor cuantice arbitrare, pentru a implementa distribuția cheilor cu securitate verificabilă, denumită în mod obișnuit distribuție cuantică a cheilor (QKD), unde securitatea este garantată de legile fundamentale ale fizicii, spre deosebire de ipotezele matematice nedemonstrate utilizate în criptografia computațională bazată pe securitate [1-3]. În ciuda caracteristicilor atractive ale QuCom-urilor, există unele provocări fundamentale și tehnice care trebuie abordate înainte de aplicarea lor pe scară largă. De exemplu, atât rata, cât și distanța QuCom sunt fundamental limitate de pierderea canalului, care este specificată de compromisul rată-pierdere. Pentru a depăși limita rată-distanță a protocoalelor cu variabile discrete (DV)-QKD, recent au fost urmărite două abordări predominante: (i) dezvoltarea releelor cuantice și (ii) utilizarea releelor de încredere. Releele cuantice necesită utilizarea unor memorii cuantice de lungă durată și a unei distilări de entanglement de înaltă fidelitate [4], care nu sunt încă disponibile pe scară largă. Pe de altă parte, metodologia releului de încredere presupune că releul dintre doi utilizatori poate fi de încredere [5]; din păcate, această presupunere este dificil de verificat în practică. Abordarea independentă de dispozitivul de măsurare (MDI)-QKD [6] a reușit să elimine lacunele de detectare; cu toate acestea, rata cheii secrete (SKR) este încă limitată de dependența 0(T) (unde T reprezintă transmisivitatea). Recent, a fost propusă metoda QKD cu câmp dublu (TF) pentru a depăși limita rată-distanță [7], a cărei SKR se scalează cu rădăcina pătrată a transmitanței, ceea ce reprezintă o abordare promițătoare pentru extinderea distanței de transmisie. O altă limitare cheie a DV-QKD este timpul mort al detectorilor cu un singur foton (SPD), care limitează rata de transfer și, în consecință, SKR-urile. Pentru a rezolva această problemă, se poate utiliza în schimb o variabilă continuă (CV)-QKD [1,8-10], care utilizează în schimb detecția homodină/heterodină și, prin urmare, nu prezintă problema limitării timpului mort a SPD. În special, protocoalele CV-QKD bazate pe modulație discretă (DM) oferă o eficiență de reconciliere mult mai bună în comparație cu cea a protocoalelor CV-QKD bazate pe modulație gaussiană (GM). Din păcate, dovezile de securitate ale schemelor CV-QKD bazate pe DM pentru atacuri colective și coerente sunt încă incomplete. Pentru a depăși provocările cheie pentru DV-QKD, cum ar fi valorile SKR scăzute și distanța limitată, precum și pentru CV-QKD bazat pe DM, cum ar fi incompletitudinea dovezilor de securitate, în lucrările noastre recente au fost propuse următoarele abordări: (1) GM discretizat (DGM)-CV-QKD [11], (2) CV-QKD optimizat [12] și (3) DV-CV QKD hibrid [13]. O abordare alternativă la QKD este criptografia post-cuantică (PQC) [14]. PQC este de obicei menționată de diverși algoritmi criptografici despre care se crede că sunt siguri împotriva oricărui atac bazat pe computer cuantic. Din păcate, PQC se bazează și pe presupuneri nedemonstrate, iar unii dintre algoritmii PQC vor fi depășiți în viitor prin dezvoltarea de algoritmi cuantici mai sofisticați.

Ilustrarea procesului de fuziune de tip I. PBS: divizor de fascicul de polarizare.

Rețelele de comunicații clasice moderne constau din mai multe noduri conectate prin diverse tipuri de canale, inclusiv legături optice în spațiu liber (FSO), fibre optice, legături sol-satelit, RF wireless și cabluri coaxiale. O astfel de arhitectură eterogenă ar fi la fel de importantă pentru rețelele cuantice de rețea (QCN), deoarece nodurile cuantice pot accesa o QCN prin diferite tipuri de canale. Într-adevăr, comunicațiile cuantice au fost validate individual în spațiu liber, fibre optice și între un satelit și o stație terestră, dar o rețea QCN eterogenă combinată care utilizează mai multe tipuri de canale rămâne evazivă. Spre deosebire de cazul comunicării punct-la-punct, limitele fundamentale ale ratei de comunicare cuantică nu sunt bine cunoscute. Până în prezent au fost raportate mai multe platforme de testare QKD, inclusiv rețeaua DARPA QKD [15], rețeaua Tokyo QKD [16] și rețeaua de comunicare securizată bazată pe criptografie cuantică (SECOQC) [17]. QKD poate fi, de asemenea, utilizat pentru a stabili rețele private virtuale campus-campus bazate pe QKD care utilizează protocolul IPsec [18], precum și pentru a stabili configurația rețelei pentru utilizarea securității la nivel de transport (TLS) bazată pe QKD [19]. Cu toate acestea, toate aceste rețele utilizează infrastructura de fibră întunecată. Comunicarea cuantică prin legături prin satelit a fost deja demonstrată; vezi, de exemplu, [20,21].

O soluție este implementarea QCN multipartită prin utilizarea conceptului bazat pe starea clusterului [22]. Rețeaua cuantică propusă poate fi utilizată pentru: (i) efectuarea de calcul cuantic distribuit, (ii) teleportarea stărilor cuantice între oricare două noduri din rețea și (iii) permiterea următoarei generații de sisteme de securitate cibernetică. Stările de cluster pot fi descrise folosind formalismul stabilizatorului și, ca atare, pot fi ușor certificate prin măsurători simple de sindrom. În acest formalism, stările de cluster pot fi interpretate ca și cuvinte de cod ale unui cod de corecție a erorilor cuantice corespunzător, în timp ce erorile corespunzătoare pot fi corectate prin decodificarea simplă a sindromului, printre altele. Prin efectuarea unor măsurători simple Y și Z pe noduri selectate corespunzător, putem stabili direct perechea Einstein-Podolsky-Rosen (EPR) între oricare două noduri din rețea. Mai mult, se pot stabili simultan mai multe perechi EPR. Propunem în continuare o rețea cuantică de sateliți bazată pe stări de cluster care permite acoperirea globală. Rețeaua de sateliți cuantici ar fi compusă din subrețele cuantice formate din sateliți pe orbită terestră joasă (LEO). Unele dintre aceste subrețele cuantice bazate pe sateliți LEO pot fi conectate la o subrețea de sateliți pe orbită terestră medie (MEO)/orbită geostaționară (GEO). Sateliții LEO ar trebui utilizați pentru a interconecta rețelele cuantice terestre bazate pe stări de cluster. Această rețea globală cuantică poate fi utilizată și pentru a distribui stările entangled pentru aplicații de detectare cuantică și pentru a permite calculul cuantic distribuit la scară globală. Conceptele SDN ar trebui utilizate pentru a reconfigura QCN-ul propus.

Sursa: Djordjevic, I.B. On Global Quantum Communication Networking. Entropy 2020, 22, 831. https://doi.org/10.3390/e22080831. Licența CC BY 4.0. Traducere și adaptare: Nicolae Sfetcu