Ученые создали ключевую технологию для коммерциализации квантовой криптографии

Квантовые криптосистемы используют квантовые ключи, которые гарантируют безопасность на основе квантовой физики, а не сложности вычислений (как в обычных криптосистемах), поэтому они защищены даже от квантовых компьютеров. Ожидается, что квантовые криптосистемы заменят современные криптосистемы.

Квантовое распределение ключей (Quantum Key Distribution, QKD) является наиболее важной технологией для реализации квантовых криптосистем. Для коммерциализации QKD необходимо решить две основные технические проблемы: расстояние связи и расширение связи от «один к одному» (1:1) до сетевого взаимодействия «один ко многим» (1:N) или «многие ко многим (N:N).

Анонсированный в 2018 году протокол дальней связи Twin-field (TF) QKD может значительно увеличить расстояние связи систем QKD. В TF QKD два пользователя могут распределять ключ, передавая квантовые сигналы третьей стороне-посреднику, предназначенной для измерения. Однако, система была продемонстрирована несколькими мировыми ведущими группами QKD из-за значительной сложности системной реализации.

Корейский институт науки и технологий KIST объявил, что их исследовательская группа Center for Quantum Information во главе с директором Санг-Вуком Ханом успешно провела экспериментальную демонстрацию практической сети TF QKD . Это вторая демонстрация сети TF QKD в мире после Университета Торонто в Канаде .

Исследователи предложили новую структуру сети TF QKD, масштабируемую до сети «два ко многим» (2:N) на основе мультиплексирования с разделением по поляризации, времени и длине волны.

Модель Университета Торонто основана на кольцевой структуре сети, а архитектура исследовательской группы KIST основана на звездообразной сети. Квантовый сигнал в кольцевой структуре должен проходить через каждого подключенного к кольцу пользователя, а в звездной структуре сигнал проходит только через центр, что позволяет реализовать более практичную систему QKD.

Кроме того, обычная система TF QKD требует множества систем управления (контроллеры времени, длины волны, фазы и поляризации) для поддержания неразличимости двух квантовых сигналов, излучаемых разными источниками света двух пользователей.

При разработке системы TF QKD команда применила структуру plug-and-play (PnP). В архитектуре PnP TF QKD третья сторона генерирует и передает начальные сигналы обоим пользователям, используя один источник света. Затем сигналы возвращаются третьей стороне, совершая круговое перемещение. Дрейф поляризации из-за двойного лучепреломления канала автоматически компенсируется, и пользователи имеют принципиально ту же длину волны.

Из-за того, что два сигнала проходят по одному и тому же маршруту в противоположных направлениях, время прибытия сигналов одинаково. Поэтому для реализации архитектуры KIST требуется только фазовый контроллер.

По словам руководителя Центра квантовой информации (Center for Quantum Information) Санг-Вук Хана, это важное исследовательское достижение дало возможность устранения двух основных препятствий на пути коммерциализации QKD.