ثبت رکورد ارتباط امن توزیع کلید کوانتومی با برد بیش از ۱۰۰۰ کیلومتر

هدف توزیع کلید کوانتومی (QKD)، تولید کلیدهای خصوصی مشترک وامن  برای دوطرف دور از یکدیگر است. با  اینکه امنیت کلید کوانتومی توسط اصول مکانیک کوانتومی محافظت می‌شود، هنوز برخی چالش های فناوری برای کاربرد عملی QKD  باقی هستند. یکی از مهمترین چالش ها، محدودیت فاصله ارتباطی است؛ چراکه سیگنال‌های کوانتومی نمی توانند تقویت شوند، در حالی که افت کانال با  افزایش فاصله انتقال فوتون در فیبر نوری، بصورت نمایی است. فاصله ایمن با چندین پیشرفت قابل توجه در تئوری و فناوری، به ویژه پس از پیشنهاد پروتکل میدان‌های دوقلو (TF-QKD) به شدت افزایش یافته است.

در  پروتکل میدان‌های دوقلو این آزمایش، از 3 شدت استفاده می شود: شدت خلاء v، شدت طعمه x، شدت سیگنال y که  اسم این شدت ها به ترتیب μv = 0، μx، µy است. در هر بازه زمانی، آلیس (باب) به طور تصادفی یک شدت l (r) را از بین سه  شدت با احتمال pl (pr) برای  r,l = v, x, yانتخاب می کند و سپس شدت آماده شده را ارسال می کند. پالس های ارسالی  به ایستگاه اندازه گیری در اختیار چارلی (فرد خارجی مورد اعتماد) می‌رسد. چارلی تداخل جفت پالس ورودی را اندازه گیری و نتایج را به آلیس و باب اعلام می‌کند. اگر چارلی آشکار شدن فوتون در یک دتکتور  ها را اعلام کند، آلیس و باب بازه زمانی آن پالس  را به عنوان یک “بازه نشانه”  در نظر و رویداد مربوطه  را یک“رویداد نشانه ”می‌نامند. آلیس و باب  N جفت پالس را برای چارلی ارسال و تمامی نتایج اندازه گیری مربوط به “بازه نشانه”  را دریافت می‌کنند.
 

در  پیاده سازی پروتکل میدان دوقلو در این آزمایش ، یک روش تثبیت دو باند با استفاده از پردازش داده‌ها برای تخمین فاز بین کانال های آلیس و باب ایجاد شده است. این روش به مدولاتور فاز فعال اضافی نیاز ندارد، بنابراین تلفات کلی در چارلی کوچکتر می‌شود. این روش به مدارهای بازخورد لحظه ای نیز نیاز ندارد، بنابراین پیاده سازی در طراحی الگوریتم و هم در منابع سخت افزاری مورد نیاز انعطاف پذیرتر است.  در روش تثبیت دو باند مبتنی بر سخت افزار، ا از دو طول موج استفاده می شود. 

آزمایش تجربی این پروتکل در شکل بالا آمده است. در ایستگاه چارلی، دو لیزر (λ1=1548.51 نانومتر و λ2=1550.12 نانومتر) در یک حفره فوق‌پایدار بصورت فرکانسی قفل و سپس با هم ترکیب می‌شوند. بعد چارلی نور با طول موج  λ1  را از طریق  فیبر نوری تک حالته به طول 450 کیلومتر (450 کیلومتر) به آلیس (باب) توزیع می‌شوند. در ایستگاه آلیس (باب)، با استفاده از لیزر خود نوری با طول موج λ2 با یک حلقه قفل فاز نوری (OPLL) با پالسی که چارلی فرستاده بود قفل می شوند. اول از همه نور λ2 با دوره 100 میلی ثانیه مدوله می‌شود. سپس نور λ2 به "مرجع ضعیف فاز" و سیگنال کوانتومی تقسیم میشوند؛ 40 میلی‌ثانیه اولیه نور به‌عنوان «مرجع فاز ضعیف» عمل می‌کند که شدت آن برای تخمین فاز  در قسمت چارلی تنظیم شده است. 60 میلی‌ثانیه باقی‌مانده به‌عنوان «سیگنال‌های کوانتومی» استفاده می‌شود که شدت آن روی سطح تک فوتون تنظیم شده است که با استفاده از مولتی پلکس کردن زمانی کدگذاری فازی با استفاده از مدولاتور فاز اتفاق میفتد . سپس با λ1  به عنوان"مرجع فاز قوی" با مولتی پلکس کردن طول موجی ترکیب می شود. سیگنال ها از آلیس و باب برای تداخل به چارلی مخابره می شوند. نتایج تداخل با فوتودتکتور های  SNSPD اندازه گیری می شود. SNSPD های اضافی برای نظارت بر شدت سیگنال در آلیس و باب، قطبش و تاخیر نسبی در ایستگاه چارلی استفاده می‌شوند.

اسامی که در شکل بالا آمده است به این صورت است: BS، تقسیم کننده پرتو; PBS، تقسیم‌کننده‌های پرتو پلاریزاسیون؛ IM، مدولاتور شدت، PM، مدولاتور فاز. ATT، تضعیف کننده نوری ؛ DWDM، مالتی پلکسی تقسیم طول موج متراکم. CIR، گردشگر نوری؛ EDFA، تقویت کننده فیبری دوپ شده با اربیوم؛ DCM، ماژول جبران‌کننده پراکندگی؛ EPC، کنترل کننده پلاریزاسیون الکترونیکی. برای ادامه پروتکل، نور λ2  نیز برای تصحیح  فاز باقیمانده پس از "مرجع فاز قوی" استفاده می‌شود.

در این آزمایش، نور λ1 بصورت  پالس 400  نانو ثانیه با دوره تکرار 1 میکرو ثانیه مدوله می‌شود تا از ایجاد نویز در سیگنال کوانتومی جلوگیری شود. همانطور که گفته شد ، آلیس و باب فاز پالس خود را روی قسمت سیگنال کد میکند که  آلیس و باب فاز های  φA = {0, 0, π, π}, φB = {0, π/2, π/2, 0}, در فاصله های زمانی ۱۰۰ نانوثانیه ای مدوله خواهند کرد. این مدوله کردن باعث یک اختلاف فاز بین پالس های آلیس و باب 
  δAB = φB − φA = {0, π/2, −π/2, π}  می‌شود که  ترتیب این اختلاف، ضبط و در قسمت پساپردازش تنظیم می شود. کسر40 ثانیه اول  از نور  λ2 که آلیس و باب میفرستند برای تثبیت شدت حالت های فریب و "مرجع فاز ضعیف نور"، قبل از تضعیف به یک سطح فوتون، مورد استفاده قرار میگیرند. در آخر پس از عملیات گفته شده آلیس و باب ، نور های λ1 و λ2  را با هم ترکیب  و از طریق فیبر با افت بسیار کم  متوسط کمتر از 0.157 دسی بل در کیلومتر به چارلی منتقل می‌کنند.

 
شکل بالا مربوط به  تثبیت فاز دو باند با پسا پردازش داده ها است. در شکل اصلی، نمودارآبی: تغییرات آزاد فاز با"مرجع فاز قوی" در دوره 30 ثانیه برآورد شده است. رنگ نارنجی: تغییر فاز باقیمانده پس از جبران ساده. رنگ قرمز: تغییر فاز باقیمانده پس از جبران دقیق. شکل کوچک (a) مربوط به 30 میلی ثانیه اول در تغییرات آزاد فاز  است. شکل کوچک (b) هیستوگرام تغییرات  فاز باقیمانده با جبران دقیق است. همانطور که قابل مشاهده است در زمان های بالا تغییرات فاز بسیار ناچیز است که استفاده از فاز را برای طول های بلندتر را ممکن می‌کند.

شدت های تجربی برای محاسبات و انجام پروتکل در جدول زیر آمده است:

 قابل توجه است میزان شدت های براساس میانگین تعداد فوتون در هرپالس هستند.

شکل بالا مربوط به شبیه سازی ها و نتایج تجربی نرخ های کلید ایمن هستند. نقاط شکل "+" نتایج تجربی ما با استفاده از پارامترهای بهینه‌سازی شده برای مسافت طولانی و نقاط شکل "×" نتایج تجربی با استفاده از پارامترهای بهینه‌سازی شده برای مسافت کوتاه هستند. منحنی های پرنگ مربوط نتایج شبیه سازی با در نظر گرفتن  اندازه محدود داده ها است، منحنی خط چین قرمز نتیجه شبیه سازی با فرض اندازه داده بی نهایت است. نشانگرهای دایره ای بهترین  نتایج تابحال پروتکل  TF-QKD را نشان می دهد.  پروتکلی که  آزمایش شد ، با استفاده از پروتکل  TF-QKD مبتنی بر فیبر که با ۳شدت مختلف عمل می‌کند که در فاصله بیش از 1002 کیلومتر قابل استفاده است. ( منابع در شکل در مقاله قابل مشاهده هستند)

تعداد پالس های سیگنال ارسالی 14^10×5.18 در 952 کیلومتر،14^10×1.02 در 901 کیلومتر، 13^10 ×1.52در 600 کیلومتر تا 800 کیلومتر و   12^10×1.26  در 490 کیلومتری هستند. نرخ کلید ایمن در فاصله 952 کیلومتر به صورت 12-^10 ×8.75   بیت به ازای هر پالس محاسبه شده است(یعنی از هر بیتی که برای تولید کلید استفاده میشود فقط 12-^10 ×8.75  احتمال دارد این بیت  قابل اطمینان باشد) که یعنی در هر ثانیه فقط مقدار 0.0031  بیت  مورد استفاده و امن هستند.

 پروتکل های کوانتومی حال حاضر به دنبال طول بلندتر و میزان بیت مورد اعتماد بیشتر هستند. ایجاد چنین پروتکلی با ۱۰۰۰ کیلومتر ارتباط امن در بستر فیبر نوری، امکان ایجاد ارتباطات بین شهری و حتی فواصل بیشتر را فراهم میکند. همچنین در طول های کوتاه تر داده بیشتری نسبت به بقیه پروتکل ها  قابل ارسال است.

منبع

“Experimental Twin-Field Quantum Key Distribution over 1000 km Fiber Distance” by Yang Liu, Wei-Jun Zhang, Cong Jiang, Jiu-Peng Chen, Chi Zhang, Wen-Xin Pan, Di Ma, Hao Dong, Jia-Min Xiong, Cheng-Jun Zhang, Hao Li, Rui-Chun Wang, Jun Wu, Teng-Yun Chen, Lixing You, Xiang-Bin Wang, Qiang Zhang and Jian-Wei Pan, 25 May 2023, Physical Review Letters.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.130.210801