Eine Technologie für die Kommerzialisierung der Quantenkryptografie

Moderne Public-Key-Kryptosysteme könnten in letzter Zeit anfällig für Sicherheitslücken gegenüber leistungsstarken Quantencomputern gewesen sein. Quantenkryptosysteme haben als mögliche Lösung viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen.

Quantenkryptosysteme verwenden Quantenschlüssel, die Sicherheit basierend auf garantieren Quantenphysik statt Rechenkomplexität. Daher gelten sie als sicherer.

Die wesentliche Technik zur Implementierung von Quantenkryptosystemen ist die Quantenschlüsselverteilung (QKD). Um QKD zu kommerzialisieren, müssen zwei technologische Schlüsselschwierigkeiten gelöst werden. Das eine ist die Kommunikationsdistanz und das andere die Erweiterung von Eins-zu-Eins (1:1)-Kommunikation zu Eins-zu-Vielen (1:N) oder Viele-zu-Vielen (N:N) Netzwerkkommunikation.

Das Forschungsteam am Korea Institut für Wissenschaft und Technologie (KIST, Direktor Seok-jin Yoon) hat erfolgreich ein praktisches TF-QKD-Netzwerk demonstriert. Dies ist die zweite experimentelle Demonstration des TF QKD-Netzwerks weltweit nach der University of Toronto in Kanada.

Das Forschungsteam schlug eine neue TF-QKD-Netzwerkstruktur vor, die auf Basis von Polarisations-, Zeit- und Wellenlängenmultiplexing auf ein Zwei-zu-Viele-Netzwerk (2:N) skalierbar ist. Im Gegensatz zur ersten Demonstration der University of Toronto, die auf einer Ringnetzwerkstruktur basiert, basiert die Architektur des Forschungsteams auf einem Sternnetzwerk. Das Quantensignal in einer Ringstruktur muss jeden mit dem Ring verbundenen Benutzer passieren; Die Sternstruktur hat es jedoch nur durch die Mitte, wodurch es möglich ist, ein praktischeres QKD-System zu implementieren.

Das Team wendete eine Plug-and-Play-Struktur (PnP) auf dieses TF-QKD-System an. Im Gegensatz zu herkömmlichen TF-QKD-Systemen, die viele Steuersysteme verwenden, um die Ununterscheidbarkeit von zwei Quantensignalen aufrechtzuerhalten, die von zwei unterschiedlichen Lichtquellen von zwei Benutzern emittiert werden, erfordert diese neue PnP-TF-QKD-Architektur, dass der mittlere Drittanbieter die Anfangssignale erzeugt und an beide Benutzer überträgt unter Verwendung einer einzigen Lichtquelle, und die Signale kehren zum Dritten zurück, indem sie einen Hin- und Rückweg machen.

Dadurch haben die Benutzer im Wesentlichen die gleiche Wellenlänge, und der Doppelbrechungseffekt des Kanals kompensiert automatisch jede Polarisationsdrift. Da die beiden Signale demselben Pfad, aber in unterschiedlichen Richtungen folgen, sind ihre Ankunftszeitpunkte außerdem unveränderlich gleich. Die vom Forschungsteam entwickelte Architektur lässt sich daher nur mit einem Phasenregler realisieren. Die Forscher führten eine experimentelle Demonstration eines TF-QKD-Netzwerks basierend auf der Architektur durch.

Sang-Wook Han, Leiter des Center for Quantum Information, sagte, „Es ist eine bedeutende Forschungsleistung, die die Möglichkeit zeigt, die beiden Haupthindernisse für die QKD-Kommerzialisierung zu lösen, und wir haben eine Schlüsseltechnologie gewonnen, die die entsprechende Forschung anführt.“

Journal Referenz:

1. Park, CH, Woo, MK, Park, BK et al. Konfiguration eines 2×N-Doppelfeld-Quantenschlüsselverteilungsnetzwerks basierend auf Polarisation, Wellenlänge und Zeitmultiplex. npj Quanteninf 8, 48 (2022). DOI: 10.1038/s41534-022-00558-8