Квантовая сеть DARPA - DARPA Quantum Network

Барб, получатель на основе запутанности, в 2004 году.

В Квантовая сеть DARPA (2002–2007) был первым в мире квантовое распределение ключей (QKD) сеть, обслуживающая 10 оптических узлов через Бостон и Кембридж, Массачусетс.[1] Он был полностью введен в эксплуатацию 23 октября 2003 г. в лабораториях BBN, а в июне 2004 г. был использован через темное волокно под улицами Кембриджа и Бостона, где он работал непрерывно более 3 лет.[2] Также в рамках проекта создан и запущен первый в мире однофотонный детектор на сверхпроводящей нанопроволоке. Это было спонсировано DARPA как часть QuIST программа[3] и построен и эксплуатируется BBN Technologies в тесном сотрудничестве с коллегами по Гарвардский университет и Центр фотоники Бостонского университета.

Квантовая сеть DARPA была полностью совместима со стандартными Интернет-технологиями и могла предоставлять ключевой материал, основанный на QKD, для создания Виртуальные частные сети, поддерживать IPsec или другой аутентификации, или для любой другой цели. Все механизмы управления и протоколы были реализованы в Unix ядро и программируемые вентильные матрицы. Основанный на QKD ключевой материал обычно использовался для видеоконференцсвязи или других приложений.

Квантовая сеть DARPA строилась поэтапно.[4] В первый год проекта (год 1) BBN разработала и построила полную систему QKD (Алиса и Боб) с ослабленным лазерным источником (~ 0,1 среднего числа фотонов), проходящим через телекоммуникационное волокно, с фазовой модуляцией через активно стабилизированный Интерферометр Маха-Цендера. BBN также реализовала полный набор протоколов QKD промышленного уровня на основе BB84. На второй год BBN создала две версии этой системы «Mark 2» (4 узла) коммерческого качества. InGaAs детекторы, созданные IBM Research. Эти 4 узла непрерывно работали в лаборатории BBN с октября 2003 года, затем два были развернуты в Гарварде и Бостонском университете в июне 2004 года, когда сеть начала непрерывно работать в районе метро Бостона, круглосуточно. На 3-м году сеть расширилась до 8 узлов с добавлением системы на основе запутанности (полученной в результате работы в Бостонский университет ), спроектированный для телекоммуникационных волокон, и высокоскоростной атмосферный (свободный космос) канал, спроектированный и построенный Национальный институт стандартов и технологий. В 4-м году BBN добавила вторую ссылку на свободное пространство в общую сеть, используя узлы, созданные Qinetiq, и исследовал улучшенные протоколы и детекторы QKD. Наконец, за 5-й год BBN добавила первую в мире однофотонный детектор на сверхпроводящей нанопроволоке в оперативную сеть.[5][6] Он был создан в результате сотрудничества исследователей BBN, Университет Рочестера, и Национальный институт стандартов и технологий; Эта первая 100-мегагерцовая система работала в 20 раз быстрее, чем любой существующий однофотонный детектор на телекоммуникационных длинах волн.[7][8] В тот последний год BBN также сотрудничала с исследователями из Массачусетский Институт Технологий для реализации и экспериментов с экспериментальной версией первого в мире квантового перехватчика (Евы).[9]

При полном построении 10 узлов сети были следующими.[10] Все они использовали протоколы квантового распределения ключей BBN и квантовые сетевые протоколы, поэтому они взаимодействовали друг с другом для достижения распределения ключей «любой-любому».

  • Алиса, Боб - 5 МГц, ослабленные лазерные импульсы через телекоммуникационное волокно, с фазовой модуляцией
  • Анна, Борис - 5 МГц, ослабленные лазерные импульсы через телекоммуникационное волокно, фазомодулированные.
  • Алекс, Барб - фотоны на основе запутывания через телекоммуникационное волокно, поляризационно-модулированные
  • Али, Баба - приблизительно 400 МГц, ослабленные лазерные импульсы через атмосферу, поляризационно-модулированные
  • Аманда, Брайан - ослабленные лазерные импульсы в атмосфере с модуляцией поляризации

Квантовая сеть DARPA реализовала множество протоколов квантового распределения ключей, чтобы исследовать их свойства.[11] Все они были интегрированы в единый стек протоколов производственного качества. Аутентификация была основана на открытых ключах, общих закрытых ключах или их комбинации. (Общие закрытые ключи могут быть обновлены с помощью ключей, производных от QKD.) Усиление конфиденциальности было реализовано через GF [2n] Универсальный хеш. Оценка энтропии была основана на Энтропия Реньи и реализуется протоколами BBBSS 92, Slutsky, Myers / Pearson и Shor / Preskill. Исправление ошибок было реализовано с помощью варианта BBN протокола Cascade или протокола BBN Niagara, который обеспечивал эффективную однопроходную операцию рядом с Предел Шеннона посредством прямого исправления ошибок на основе коды с низкой плотностью проверки четности (LDPC). Просеивание производилось либо традиционными методами, кодированием длин серий, либо так называемым просеиванием «SARG».

Он также реализовал две основные формы сетевых протоколов QKD.[12] Во-первых, ретранслятор ключей использовал «доверенные» узлы в сети для передачи материалов для передачи ключей между двумя конечными точками. Этот подход позволял узлам согласовывать общий ключевой материал, даже если они были реализованы с помощью двух несовместимых технологий; например, узел, основанный на фазовой модуляции через оптоволокно, может обмениваться ключами с узлом на основе модуляции поляризации через атмосферу. Фактически, это даже позволяло передатчикам обмениваться ключевым материалом с другими (совместимыми или несовместимыми) передатчиками. Кроме того, необработанный ключевой материал может быть маршрутизирован множеством «полосатых» путей через сеть (например, непересекающимися путями) и рекомбинирован из конца в конец, тем самым стирая преимущество, которое Ева получила бы, управляя одним из сетевых узлов на этом пути. Во-вторых, протоколы оптической маршрутизации с поддержкой QKD позволили узлам управлять прозрачными оптическими коммутаторами в сети, так что несколько систем QKD могли совместно использовать одну и ту же инфраструктуру оптической сети.

Избранные статьи

  • «Построение квантовой сети», Чип Эллиотт, в Новый журнал физики, Июль 2002 г.
  • «Квантовая криптография на практике», Чип Эллиотт, Дэвид Пирсон, Грегори Троксель, ACM SIGCOMM 2002.
  • «Контроль длины пути в интерферометрическом QKD звене», Чип Эллиотт, Алексей Пикало, Джон Шлафер, Грег Троксель, Труды AeroSense 2003, Том 5105, Квантовая информация и вычисления, 2003.
  • "Квантовая сеть DARPA", Чип Эллиот, декабрь 2004 г.
  • «Текущее состояние квантовой сети DARPA», Чип Эллиотт, Александр Колвин, Дэвид Пирсон, Алексей Пикало, Джон Шлафер, Генри Йе, SPIE Defense + Commercial Sensing 2005.
  • «Построение сети QKD из теорий и устройств» (слайд-презентация), Дэвид Пирсон,
  • «Квантовая сеть DARPA», К. Эллиотт, в Квантовые коммуникации и криптографияПод редакцией Александра В. Сергиенко, CRC Press, 2005.
  • «Об оптимальном среднем числе фотонов для квантовой криптографии», Дэвид Пирсон и Чип Эллиотт, в Компьютерные науки и квантовые вычисления, отредактированный Джеймсом Э. Стоунсом, Nova Science Publishers, 2007.
  • Испытательный стенд квантовой сети DARPA: окончательный технический отчет, Чип Эллиотт и Генри Йе, BBN Technologies, июль 2007 г.
  • «Сеть в квантовой сети», Чип Эллиотт, 2018.

Рекомендации

  1. ^ Испытательный стенд квантовой сети DARPA: окончательный технический отчет, Чип Эллиотт и Генри Йе, BBN Technologies, июль 2007 г. [1]
  2. ^ «Квантовая сеть DARPA», Чип Эллиотт, декабрь 2004 г.
  3. ^ Сеть распределения квантовых ключей DARPA.
  4. ^ Заключительный отчет, страница 2.
  5. ^ Хэдфилд, Роберт Х .; Хабиф, Джонатан Л .; Шлафер, Джон; Schwall, Роберт Э .; Нам, Саэ Ву (11 декабря 2006 г.). «Квантовое распределение ключей на 1550 нм с двойными сверхпроводящими однофотонными детекторами». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 89 (24): 241129. Дои:10.1063/1.2405870. ISSN  0003-6951.
  6. ^ Jaspan, Martin A .; Хабиф, Джонатан Л .; Хэдфилд, Роберт Х .; Нам, Саэ Ву (17 июля 2006 г.). «Объявление телекоммуникационных фотонных пар с помощью сверхпроводящего детектора одиночных фотонов». Письма по прикладной физике. Издательство AIP. 89 (3): 031112. Дои:10.1063/1.2219411. ISSN  0003-6951.
  7. ^ «Квантовое распределение ключей с помощью высокоскоростных сверхпроводящих однофотонных детекторов», Роберт Хэдфилд, Джонатан Л. Хабиф, Лиджун Ма, Алан Минк, Сяо Тан, Сэ Ву Нам, Конференция по квантовой электронике и лазерной науке, 2007.
  8. ^ Хабиф, Джонатан Л .; Пирсон, Дэвид С .; Хэдфилд, Роберт Х .; Schwall, Роберт Э .; Нам, Сае Ву; Миллер, Аарон Дж. (18 октября 2006 г.). Сравнение детекторов одиночных фотонов в тесте квантового распределения ключей. 6372. ШПИОН. п. 63720Z. Дои:10.1117/12.685552.
  9. ^ Ким, Тэхён; Родовой аист Версборг, Инго; Wong, Franco N.C .; Шапиро, Джеффри Х. (25 апреля 2007 г.). «Полное физическое моделирование атаки зондирования запутывания на протокол Беннета-Брассарда 1984». Физический обзор A. Американское физическое общество (APS). 75 (4): 042327. arXiv:Quant-ph / 0611235v1. Дои:10.1103 / Physreva.75.042327. ISSN  1050-2947.
  10. ^ «Сеть в квантовой сети», Чип Эллиотт, 2018.
  11. ^ Заключительный технический отчет, Глава 13.
  12. ^ Заключительный технический отчет, Главы 14 и 15.