چکیده
آزمایشگاه های تحقیقاتی NTT پایه تحقیق و توسعه یک توزیع کلید کوانتومی تغییر افسانه (DPS-QKD)، یک پروتکل QKD جدید است. این مقاله به معرفی اصول این پروتکل، آزمایش های اثبات اصل، توسعه یک سیستم نمونه اولیه و یک آزمایش میدانی در نمایشگاه شبکه توکیو QKD در اکتبر 2010 صورت گرفت.
آزمایشگاه های تحقیقاتی NTT
Atsugi-shi، 243-0198 ژاپن
1. توزیع کلید کوانتومی فاز دیفرانسیل (DPS-QKD)
توزیع کلید کوانتومی (QKD)، که یک رمزنگاری است که از اصول مکانیک کوانتومی استفاده می کند، اخیرا توجه زیادی را به عنوان راهی برای دستیابی به امنیت نهایی در ارتباط برقرار کرده است. در سال 2003 دانشگاه NTT و دانشگاه استنفورد به طور مشترک پیشنهاد توزیع کلید های کوانتومی (DPS-QKD) [1]، که از این واقعیت استفاده می کند که فقط بخشی از اطلاعات فاز نسبی پالس های نوری را می توان خواند. تنظیم و پروتکل DPS-QKD در شکل 1 نشان داده شده است.

اول از همه، فرستنده (نام آلیس) یک قطار پالس منسجم آماده و تعدیل فاز نسبی از پالس های نوری به طور تصادفی با 0 یا ص نور است و سپس به گیرنده (باب) پس از ضعیف به طوری که ارسال تعداد فوتون در هر پالس کمتر از 1. باب با استفاده از یک تداخل سنج تاخیر یک پالس به علت پالس های پی در پی به دخالت و اطلاعات فاز نسبی با مجموعه ای از آشکارسازهای فوتون واقع در خروجی تداخل سنج اندازه گیری. از آنجا که قدرت منبع فوتون ضعیف است، تنها بخشی از اطلاعات فاز نسبی را می توان خواندن، اما فاز نسبی به دست آمده باید دقیقا همان مدولاسیون فاز در فرستنده باشد. باب ثبت مهر زمانی یک فوتون تشخیص داده شد و کدام یک از آشکارسازهای کلیک (اطلاعات فاز نسبی خود را). او پس از آن تولید یک کلید با اختصاص بیت 0 تا فاز نسبی 0 و بیت 1 تا ص فاز نسبی. باب پس از آن را می فرستد به آلیس تنها اطلاعات برچسب زمان. آلیس استفاده از این اطلاعات و رمزگذاری فاز او سوابق برای تولید یک کلید است که کلید الک * نامیده می شود. در نهایت، پس از فرآیندهای تصحیح خطا و حفظ حریم خصوصی از تقویت، کلید نهایی امن تولید شده و مورد استفاده در ارتباطات و مرموز است.
كليد Sifted: كليد Sifted كليد خام اوليه توليد شده از طريق انتقال فوتون با استفاده از يك پروتكل QKD مانند DPS-QKD يا BB84 مي باشد. به دليل نقص هاي سيستم، بعضي از خطاها وجود دارد، بنابراين كليد نهايي از طريق اصلاح خطا و حريم خصوصي فرآیندهای تقویت
2. آزمایش های اثبات اصل
آلیس شدت نور از یک لیزر با طول موج را مدول می کند پس از آنکه شدت نور تا 0.2 فوتون در هر پالس به طور متوسط تنظیم می شود، پالس ها به یک فیبر نوری ارسال می شود. باب 1551 نانومتر را تولید می کند تا پالس های تکرار 1 گیگاهرتز تولید کند. پالس های نور از آلیس و ورودی آنها به یک تداخل سنج تداخل یک پالس و فوتون ها را با دو آشکارساز تک فوتون که در خروجی تداخل سنج قرار دارد تشخیص می دهد. یک تحلیل زمان فواصل زمان تشخیص فوتون را ثبت می کند و اطلاعاتی راجع به کدام آشکارساز کلیک می کند. کلید از این پرونده توسط پروتکل فوق ذکر شده تولید می شود و نرخ تولید و میزان خطای کلید تعیین می شود.

. مسائل اصلی تا کنون ثبات تداخل سنج و عملکرد آشکارسازهای فوتون به دست آوردن تداخل فوتون ثابت بوده است، ما با استفاده از تداخل سنج (MZI) بر اساس تکنولوژی مسطح مدار LIGHTWAVE (PLC) با استفاده از موجبرهای شیشه کوارتز؛ این تکنولوژی توسط NTT توسعه داده شد. از آنجا که تفاوت مسیر نوری ده برابر طولانی تر از ارتباطات نوری معمولی بود، تثبیت کننده قبلا یک مشکل بوده است، اما این PLC MZI نسبت انقراض بیش از 20 دسی بل (مربوط به خطای کمی نشان داد کمتر از 1٪)، که ما را قادر به انجام یک تظاهرات موفقیت آمیز. همانطور که برای آشکارسازهای فوتون، بهبود عملکرد همراه استفاده از طول توزیع دیگر کلید. اولین نمایش در سال 2004 با استفاده از یک دیود حساس به نور بهمن InGaAs (APD)، و 100- توزیع Km با استفاده از یک سیستم آشکارساز فوتون با تبدیل فوتون های طولانی مدت به طول موج کوتاه نشان داده شد و آنها را سریع، با راندمان بالا تشخیص دادند سی آشکارساز فوتون [2]. در سال 2007، ما در دستیابی به توزیع 200 کیلومتر با آشکارسازهای فوتون مبتنی بر ابررسانا موفق شد، که ما را قادر به بالا بردن فرکانس تکرار به 10 گیگاهرتز [3].
همانطور که در شکل 1 نشان داده شده، این پروتکل نیاز به تعداد زیادی تصادفی. در حالی که یک ژنراتور شبه تصادفی است که معمولا استفاده می شود، یک ژنراتور تصادفی فیزیکی سریع لازم است به منظور بهبود امنیت. به تازگی، یک ژنراتور تصادفی با نرخ تولید بیش از 1 گیگابیت / s با استفاده از نوسانات هرج و مرج نور لیزر توسعه داده شده و به آزمایش های DPS-QKD [4] اعمال شده است.
3. سیستم نمونه
DPS-QKD شده است از طریق آزمایش های تایید، و ما شروع کرده اند در حال توسعه یک سیستم نمونه. ظاهر آن است که در شکل نشان داده شده است. 3. برای اجرای نمونه اولیه، ما یک سیگنال ژنراتور با سرعت بالا و واحد حافظه خود را با استفاده از یک میدان دروازه قابل برنامه ریزی آرایه (FPGA). این برای تولید سیگنال های به زیر و بم فاز و برای نگه داشتن آنها را تا مرحله تولید کلید است که در کنار آلیس. در آزمایشات اثبات اصل، آلیس مدوله شدت نور لیزر برای تولید یک 1- گیگاهرتز قطار پالس و تنظیم فاز نسبی بسته به سیگنال فاز از برد FPGA و پس از ضعیف شده، پالس به باب ارسال است و در طرف باب، فاز نسبی با PLC MZI و تک فوتون آشکارسازهای تشخیص داده و سیگنال به دست آمده به طور مداوم با تجزیه و تحلیل زمان فاصله بازیابی و تغذیه به یک کامپیوتر شخصی، که در آن یک کلید غربال است تولید می شود. در همان زمان، تنها زمان تشخیص به آلیس ارسال شده از طریق یک شبکه است. عصاره آلیس اطلاعات فاز ذخیره شده در هیئت مدیره FPGA با توجه به زمان تشخیص باب و تولید یک کلید الک. در نهایت، کلید غربال در هر دو طرف به موتور اصلی تقطیر (توسعه یافته توسط NEC)، که اجرا تصحیح خطا و تقویت حریم خصوصی ارسال و تولید نهایی کلید راز برای ارتباطات مرموز.

4. آزمایشات میدانی
با استفاده از سیستم نمونه اولیه ما در یک آزمایش شبکه آزمایشگاهی به نام Tokyo QKD Network [5] که توسط موسسه ملی فناوری اطلاعات و ارتباطات (NICT) رهبری شد، شرکت کردیم. شرکت کنندگان NEC، Mitsubishi Electric، NTT با پشتیبانی NICT، Toshiba Research Europe Id Quantique (ژنو) و تیم All Vienna. این شبکه QKD با استفاده از شبکه فیبر نوری آزمایشگاهی JGN2plus، اتصال گره ها در Otemachi، Koganei، Hakusan و Hongo ساخته شد.
4. مسافت انتقال از اتیامچی به کگایی: 45 کیلومتر، اوماتاچی به هکسان: 12 کیلومتر، و اتیامچی تا هنگئو: 13 کیلومتر. در اقیانوس کتونی اوماتچی ، Otemachi-Hakusan، و Otemachi-Hongo و توپولوژی های مختلف شبکه پیکربندی شده است.

لایه های پایین تر، به نام لایه QKD، شش گره بود. هر تیم تجهیزات آن در گره در هر دو انتهای یک لینک لایه QKD بیش از لایه فیزیکی برای مثال ساخته شد قرار داده، NTT استفاده از 90 کیلومتر از فیبر بین Koganei و .. اوتهماچی در یک پیکربندی پرونده، NEC استفاده 45 کیلومتر از فیبر بین Koganei و اوتهماچی، میتسوبیشی 24 کیلومتر از فیبر بین اوتهماچی و هاکوسان در یک پیکربندی پرونده استفاده می شود، و ID Quantique از 13 فیبر کیلومتر بین اوتهماچی و HONGO استفاده می شود.
کلید های مخفی تولید شده توسط QKD به عامل مدیریت محلی کلیدی عرضه شد و به لایه مدیریت کلید نقل مکان کرد تا. کلید ذخیره شده در عامل مدیریت کلیدی برای ارتباطات مرموز مانند یک ارتباط ویدئو کنفرانس و صدای استفاده شده است. بین گره های که به طور مستقیم نیست متصل، کلید بودن در گره های میانی تکرار رد و بدل شد.
NTT، در همکاری با NICT، مسئول طولانی ترین بخش حلقه تماس در آزمایش استفاده (حدود 90 کیلومتر) بود. با ترکیبی از سیستم نمونه ما و ابررسانا آشکارسازهای فوتون توسعه یافته توسط NICT، ما قادر به دستیابی به شد توزیع پایدار کلیدی است. آزمون ثبات تولید کلید الک موفقیت برای حدود 8 روز اجرا می شد، به طور متوسط با نرخ تولید از 18 کیلوبیت / ثانیه و بیت متوسط میزان خطای 2.2٪. آزمون ثبات تولید کلید نهایی از جمله تصحیح خطا و تقویت حفظ حریم خصوصی پایدار برای حدود 4 ساعت فرار، با نرخ نسل 2.1 کیلوبیت / ثانیه در یک کنفرانس بین المللی (به روز رسانی رمزنگاری کوانتومی و ارتباطات، UQCC) [6] در اکتبر 2011، این شبکه QKD نشان تشخیص زنده از استراق سمع و پس از آن تغییرات اتوماتیک به مسیر آماده به کار برکنار شده، قادر می سازد ویدئو کنفرانس در نهایت امن.
منابع
[1] K. اینوئه، E. Waks، و Y یاماموتو، "فاز دیفرانسیل شیفت توزیع کوانتومی با استفاده از کلید منسجم نور،" فیزیک. کشیش، جلد 68، شماره 2، 022317، 2003.
[2] E. دیامانتی، H. Takesue، C. Langrock، MM فجر، و Y یاماموتو، "100 کیلومتر فاز دیفرانسیل شیفت کوانتومی کلیدی آزمایش توزیع با آشکارسازهای پایین لرزش تا تبدیل،" انتخاب کردن. اکسپرس، دوره 14، شماره 26، صص 13073-13082، 2006.
[3] H. Takesue، SW ویتنام، Q. ژانگ، RH هدفیلد، T. هنجو، K. تاماکی، و Y یاماموتو، "توزیع کوانتومی کلیدی بیش از 40 دسی بل از دست دادن کانال با استفاده از آشکارسازهای ابررسانا تک فوتون،" طبیعت فوتونیک، جلد 1، شماره 6، ص. 343-348، 2007.
[4] T. هنجو، A. اوچیدا، K. آمانو، K. هیرانو، H. Someya، H. اوکومورا، K. Yoshimura، ص دیویس، و Y Tokura، "آزمایش دیفرانسیل فاز تغییر توزیع کوانتومی کلیدی با استفاده از سریع فیزیکی ژنراتور بیت تصادفی با هرج و مرج نیمه هادی لیزر، "انتخاب کردن. اکسپرس، جلد 17، شماره 11، صص 9053-9061، 2009.
[5] M. ساساکی، محمد فوجی وارا، H. Ishizuka، W. کلاوس، K. Wakui، محمد Takeoka، A. تاناکا، K. Yoshino و، Y. نامبو، S. تاکاهاشی، A. تاجیما، A. Tomita ، T. Domeki، T. هاسگاوا، Y. ساکایی، H. کوبایاشی، T. آسای، K. شیمیزو، T. Tokura، T. Tsurumaru، محمد ماتسوی، T. هنجو، K. تاماکی، H. Takesue، Y . Tokura، JF دینز، AR دیکسون، AW شارپ، ZL یوان، AJ سپر، S. Uchikoga، محمد Legre، S. Robyr، ص Trinkler، L. Monat، J.-B. صفحه، G. Ribordy، A . Poppe به، A. Allacher، O. Maurhart، T. لانگر، M. Peev، و A. Zeilinger، "توزیع تست درست کوانتومی کلیدی در QKD شبکه توکیو،" انتخاب کردن. اکسپرس، دوره 19، شماره 11، صص 10387-10409، 2011.
[6] http://www.uqcc2010.org/
یاسوشیرو توکورا
مدیر اجرایی، آزمایشگاه علوم نوری، آزمایشگاه های تحقیقاتی NTT Basic.
او در سالهای 1983، 1985 و 1998 BS، MS و Ph.D. از دانشگاه توکیو دریافت کرد. در سال 1985، او به NTT Musashino Laboratories ارتباطات برق متصل شد، جایی که او در تحقیق در علوم نانو، نیمه هادی، حمل و نقل کوانتومی از سال 1998 تا 1999، او دانشمند مهمان در دانشکده کاربرد فیزیک، دانشکده فنی دلف، هلند بود. از سال 2004، او رهبر گروه گروه تحقیق کنترل دولتی نوری کوانتومی بوده و استاد گردشگری دانشگاه علم و صنعت دانشگاه توکیو از سال 2010 نیز به عنوان استاد توریست در موسسه ملی انفورماتیک مشغول به کار است.
Toshimori Honjo
مهندس ارشد تحقیق، پلت فرم پردازش توزیع داده پردازنده SE پروژه، آزمایشگاه پلتفرم اشتراک NTT اطلاعات.
او مدرک لیسانس و مدرک کارشناسی ارشد علوم اطلاعاتی از موسسه فناوری توکیو در سالهای 1996 و 1998 و مدرک دکتری مهندسی از دانشگاه اوزاکا در سال 2007 را دریافت کرد. در سال 1998، او به دانشگاه NTT Software Laboratories، Musashino، جایی که او مشغول به کار در تحقیق در مورد طراحی و پیاده سازی شبکه پروتکل شبکه در سیستم عامل های ارتباطات امن تلفن همراه از سال 2003 تا 2010، او در تحقیقات در مورد توزیع کلید های کوانتومی و توزیع کلید های کوانتومی در آزمایشگاه های تحقیقاتی اصلی NTT مشغول به کار است. در سال 2009، او یک محقق مهمان در دانشگاه وین، اتریش، از سال 2010، او در تحقیق و توسعه یک زیرساخت پردازش داده موازی توزیع شده در مقیاس بزرگ مشغول به کار بوده است. وی در آوریل 2011 به آزمایشگاه های پلت فرم اشتراک اطلاعات NTT انتقال داده است.
https://www.ntt-review.jp/archive/ntttechnical.php?contents=ntr201109fa8.html