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2018-09-20 | 聚焦

日本东芝首次实现10Mbps以上的量子密钥分发速度

据IEEE网站2018年9月19日刊文,随着量子计算机的发展,敏感信息的密码保护正在面临着迄今为止最严峻的挑战。为了应对这一威胁,全球各地的研究人员正在研究保护用于发送和解锁加密数据的密钥的新方法,其中量子密钥分发(QKD)方法正在接近商业化。

QKD利用了量子力学中的不确定性原理,可以确保传输的密钥数据不会在不发生不可逆转的改变的前提下被外界读取或截获。任何干扰都会留下标记,并会被发送方和接收方检测到。日本东芝公司多年来一直在日本和英国间进行QKD的外场试验。

2018年9月11日,日本东芝公司和ToMMo机构在东北大学宣布,他们在试验中的密钥分发平均速度(一个月周期内)首次超过了每秒10兆比特(Mbps),这比东芝2016年创造的1.9 Mbps最快QKD速度快了约五倍。试验是在连接两个站点的长7km的标准单模光纤通信线路上进行的,由于试验是在实际环境中进行的,这对于高速QKD迈向商业化是重要一步。

东芝的方案中,QKD发射器调制光子的相位以随机地表示零或一,调制后的光子被传输到QKD接收器。基于所接收的光子,在两端生成安全密钥。然后将密钥输入一次性密码算法以加密和解密所有其他传输的数据。 这种一次一密方法和QKD的组合确保了所传输数据在任何已知的方法攻击下都是安全可靠的。而速度的增加则得益于东芝东芝研究欧洲使用高速光子探测器和控制电子设备来记录信号,以及改进的将信号处理成安全密钥数据的方法。纠错和隐私放大也得到了提升,虽然目前仍是现有系统的瓶颈,这大大提高了系统的后处理速度。东芝公司表示,之前在日本东京地区进行的成功现场试验中,单跨光纤线路长达45km,而在英国实验室的测试距离则达到240km。

此外,东芝在今年5月还宣布,它已经设计并正在测试一种名为Twin-Field QKD的新协议,该协议可将通过光纤的分发距离扩展到超过500km。在传统的QKD中,单光子从光纤的一端发送到另一端,而采用Twin-Field QKD协议,光子从两端发送到中心位置进行检测,直接使传输距离加倍。

英国萨里大学的计算机科学家艾伦伍德沃德在评论这些试验时表示,除了要关注东芝所取得的速度外,更要关注的是东芝在现有光纤上测试了相当长的时间。QKD的广泛采用可能不仅取决于能使用现有光纤网络,同时也在于可以以某种方式在光纤上复用QKD来保护数据。

在日本Tohoku进行的试验中,东芝和ToMMo使用了单独的光纤线路来传递为内容和密钥。除了运行这些测试外,东芝和ToMMo还部署了一个无线传感器网络,使用包含加速度计和温度传感器在内的多传感器设备持续监控所安装的光纤线路。目的是研究光纤的特性如何随着天气和附近振动的变化而变化,以及这些变化如何影响高速QKD的性能。对于将该技术应用于现有通信设备时,这种研究是至关重要的,特别是在光纤在空中暴露的情况下。监测已经证实了高速QKD系统稳定性与所架设光纤扰动之间的相关性,东芝正在研究如何改善风引发的光纤振动对QKD系统稳定性的影响。

QKD商业化需要克服的另一个挑战是系统的标准化问题,东芝表示需要建立一个标准化接口,来为任何应用程序提供安全密钥,包括医疗保健、金融和电信等领域的应用程序。虽然东芝承认需要更多的现场测试来微调系统,但他们认为可以2020年为商业化做好准备。

东芝不是唯一一家开发QKD的公司。西班牙电信公司Telefonica宣布与中国华为和西班牙马德里理工大学(UPM)合作已于今年5月使用商业光纤网络进行了QKD现场试验。Telefonica方法采用软件定义网络技术,可以对网络进行集中和智能控制,公告称首次有能力以增量方式使用同样的基础设施部署量子通信,可避免大量前期成本。

QKD系统的成功最终将取决于其相对后量子密码方案是否有足够的安全优势,并是否能确保在基础设施方面的投入。

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原文链接:IEEE科技纵览网站
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