Квантовая сеть DARPA
( Квантовая сеть DARPA 2002–2007 гг.) была первой в мире сетью квантового распределения ключей (QKD), управлявшей 10 оптическими узлами в Бостоне и Кембридже, штат Массачусетс . [1] Он вступил в полную силу 23 октября 2003 г. в лабораториях BBN, а в июне 2004 г. был подключен по темному оптоволокну под улицами Кембриджа и Бостона, где работал непрерывно более трех лет. [2] В рамках проекта также был создан и внедрен первый в мире сверхпроводящий однофотонный детектор на основе нанопроводов . Его спонсировало DARPA в рамках программы QuIST . [3] и построен и эксплуатируется BBN Technologies в тесном сотрудничестве с коллегами из Гарвардского университета и Центра фотоники Бостонского университета .
Квантовая сеть DARPA была полностью совместима со стандартными интернет-технологиями и могла предоставлять ключевой материал, полученный из QKD, для создания виртуальных частных сетей , поддержки IPsec или другой аутентификации или для любых других целей. Все механизмы управления и протоколы были реализованы в Unix ядре и программируемых пользователем вентильных матрицах . Ключевой материал, полученный из QKD, обычно использовался для видеоконференций или других приложений.
Квантовая сеть DARPA создавалась поэтапно. [4] В первый год проекта (год 1) BBN спроектировала и построила полную систему QKD (Алиса и Боб) с ослабленным лазерным источником (среднее число фотонов ~ 0,1), проходящим по телекоммуникационному волокну и фазово-модулированным через активно стабилизированный маховик. Интерферометр Зендера . BBN также реализовал полный набор промышленных протоколов QKD на основе BB84 . Во второй год BBN создала две версии этой системы «Mark 2» (4 узла) с детекторами InGaAs коммерческого качества , созданными IBM Research . Эти четыре узла непрерывно работали в лаборатории BBN с октября 2003 года, затем два были развернуты в Гарвардском и Бостонском университетах в июне 2004 года, когда сеть начала непрерывно работать в районе метро Бостона, 24 часа в сутки, 7 дней в неделю. На третьем году сеть расширилась до 8 узлов за счет добавления системы на основе запутывания (разработанной в работах Бостонского университета ), разработанной для телекоммуникационных волокон, и высокоскоростной атмосферной (свободной космической) линии связи, разработанной и построенной Национальным институтом Стандарты и технологии . В четвертый год BBN добавила в общую сеть второй канал свободного пространства, используя узлы, созданные Qinetiq и исследовали улучшенные протоколы и детекторы QKD. первый в мире сверхпроводящий однофотонный детектор на основе нанопроводов . Наконец, на пятом году работы BBN добавила в свою операционную сеть [5] [6] Он был создан в результате сотрудничества исследователей из BBN, Рочестерского университета и Национального института стандартов и технологий; эта первая система с частотой 100 МГц работала в 20 раз быстрее, чем любой существующий однофотонный детектор на телекоммуникационных длинах волн. [7] [8] В тот последний год BBN также сотрудничал с исследователями из Массачусетского технологического института для реализации и экспериментов с экспериментальной версией первого в мире квантового подслушивателя (Ева). [9]
Когда сеть была полностью построена, 10 узлов сети выглядели следующим образом. [10] Все они использовали квантовое распределение ключей BBN и протоколы квантовой сети, поэтому они взаимодействовали для достижения распределения ключей «любой к любому».
- Алиса, Боб – 5 МГц, ослабленные лазерные импульсы по телекоммуникационному волокну, с фазовой модуляцией.
- Анна, Борис – 5 МГц, ослабленные лазерные импульсы по телекоммуникационному волокну, фазомодулированные.
- Алекс, Барб - фотоны на основе запутывания через телекоммуникационное волокно с поляризационной модуляцией
- Али, Баба - примерно 400 МГц, ослабленные лазерные импульсы через атмосферу, поляризационно-модулированные.
- Аманда, Брайан - ослабленные лазерные импульсы через атмосферу, поляризационно-модулированные.
Квантовая сеть DARPA реализовала множество протоколов распределения квантовых ключей для изучения их свойств. [11] Все они были интегрированы в единый стек протоколов производственного качества. Аутентификация основывалась на открытых ключах, общих секретных ключах или их комбинации. (Общие закрытые ключи можно было обновить с помощью ключей, полученных из QKD.) Усиление конфиденциальности было реализовано с помощью GF[2n] Universal Hash . Оценка энтропии была основана на энтропии Реньи и реализована с помощью протоколов BBBSS 92, Слуцкого, Майерса/Пирсона и Шора/Прескилла. Исправление ошибок было реализовано с помощью варианта BBN протокола Cascade или протокола BBN Niagara, который обеспечивал эффективную однопроходную работу вблизи предела Шеннона посредством прямого исправления ошибок на основе кодов проверки четности низкой плотности (LDPC). Отсеивание осуществляли либо традиционными методами, кодированием по длинам серий, либо так называемым просеиванием «SARG».
Он также реализовал две основные формы сетевых протоколов QKD. [12] Во-первых, при ретрансляции ключей использовались «доверенные» узлы сети для передачи материалов для обработки 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, основанным на поляризационной модуляции через атмосферу. Фактически, это даже позволило передатчикам обмениваться ключевыми материалами с другими (совместимыми или несовместимыми) передатчиками. Более того, необработанный ключевой материал может быть маршрутизирован несколькими «полосатыми» путями через сеть (например, непересекающимися путями) и рекомбинирован из конца в конец, тем самым стирая преимущество, которое Ева могла бы получить, контролируя один из узлов сети на этом пути. Во-вторых, протоколы оптической маршрутизации с поддержкой QKD позволили узлам управлять прозрачными оптическими коммутаторами внутри сети, так что несколько систем QKD могли использовать одну и ту же инфраструктуру оптической сети.
Избранные статьи
[ редактировать ]- «Построение квантовой сети», Чип Эллиот, в New Journal of Physics , июль 2002 г.
- «Квантовая криптография на практике», Чип Эллиотт, Дэвид Пирсон, Грегори Троксел, ACM SIGCOMM 2002.
- «Управление длиной пути в интерферометрической линии связи QKD», Чип Эллиотт, Алексей Пикало, Джон Шлафер, Грег Троксел, Proceedings AeroSense 2003 , том 5105, Quantum Information and Computation , 2003.
- «Квантовая сеть DARPA» , Чип Эллиот, декабрь 2004 г.
- «Текущий статус квантовой сети DARPA», Чип Эллиотт, Александр Колвин, Дэвид Пирсон, Алексей Пикало, Джон Шлафер, Генри Йе, SPIE Defense + Commercial Sensing, 2005.
- «Построение сети QKD на основе теорий и устройств» (слайд-презентация), Дэвид Пирсон,
- «Квантовая сеть DARPA», К. Эллиотт, в книге «Квантовые коммуникации и криптография » под редакцией Александра В. Сергиенко, CRC Press, 2005.
- «Об оптимальном среднем числе фотонов для квантовой криптографии», Дэвид Пирсон и Чип Эллиотт, в журнале «Информатика и квантовые вычисления » под редакцией Джеймса Э. Стоунза, Nova Science Publishers, 2007.
- Испытательный стенд квантовой сети DARPA: окончательный технический отчет , Чип Эллиотт и Генри Йе, BBN Technologies, июль 2007 г.
- «Сеть в квантовых сетях» , Чип Эллиот, 2018.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Испытательный стенд квантовой сети DARPA: окончательный технический отчет , Чип Эллиотт и Генри Йе, BBN Technologies, июль 2007 г. [1]
- ^ «Квантовая сеть DARPA», Чип Эллиотт, декабрь 2004 г.
- ^ Сеть распространения квантовых ключей DARPA .
- ^ Итоговый отчет , стр. 2.
- ^ Хэдфилд, Роберт Х.; Хабиф, Джонатан Л.; Шлафер, Джон; Швалль, Роберт Э.; Нам, Сэ У (11 декабря 2006 г.). «Распределение квантовых ключей на длине волны 1550 нм с помощью двух сверхпроводящих однофотонных детекторов». Письма по прикладной физике . 89 (24). Издательство AIP: 241129. doi : 10.1063/1.2405870 . ISSN 0003-6951 .
- ^ Джаспан, Мартин А.; Хабиф, Джонатан Л.; Хэдфилд, Роберт Х.; Нам, Сэ У (17 июля 2006 г.). «Вестник телекоммуникационных пар фотонов с помощью сверхпроводящего детектора одиночных фотонов». Письма по прикладной физике . 89 (3). Издательство AIP: 031112. doi : 10.1063/1.2219411 . ISSN 0003-6951 .
- ^ «Квантовое распределение ключей с помощью высокоскоростных сверхпроводящих однофотонных детекторов», Роберт Х. Хэдфилд, Джонатан Л. Хабиф, Лицзун Ма, Алан Минк, Сяо Тан, Саэ Ву Нам, Конференция по квантовой электронике и лазерной науке, 2007.
- ^ Хабиф, Джонатан Л.; Пирсон, Дэвид С.; Хэдфилд, Роберт Х.; Швалль, Роберт Э.; Нам, Сэ У; Миллер, Аарон Дж. (18 октября 2006 г.). Сравнение детекторов одиночных фотонов в тесте распределения квантовых ключей . Том. 6372. ШПИОН. п. 63720З. дои : 10.1117/12.685552 .
- ^ Ким, Тэхен; Аист genannt Версборг, Инго; Вонг, Франко, Северная Каролина; Шапиро, Джеффри Х. (25 апреля 2007 г.). «Полное физическое моделирование атаки спутывающего зонда на протокол Беннета-Брассарда 1984 года». Физический обзор А. 75 (4). Американское физическое общество (APS): 042327. arXiv : quant-ph/0611235v1 . дои : 10.1103/physreva.75.042327 . ISSN 1050-2947 .
- ^ «Сеть в квантовых сетях» , Чип Эллиотт, 2018.
- ^ Заключительный технический отчет , Глава 13.
- ^ Заключительный технический отчет , главы 14 и 15.