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Jun 03, 2023

Undurchdringliche Verschlüsselung für die Datenkommunikation: Forscher holen Quantenschlüsselverteilung aus dem Labor

Von The Optical Society, 18. Juni 2021. Feldversuch zeigt, dass einfaches QKD-System mit bestehendem Telekommunikationsnetz in Italien funktioniert. In einer neuen Studie demonstrieren Forscher eine automatisierte, einfach zu bedienende Lösung

Von The Optical Society, 18. Juni 2021

Feldversuch zeigt, dass einfaches QKD-System mit bestehendem Telekommunikationsnetz in Italien funktioniert.

In einer neuen Studie demonstrieren Forscher ein automatisiertes, einfach zu bedienendes Quantenschlüsselverteilungssystem (QKD), das das Glasfasernetz in der Stadt Padua, Italien, nutzt. Der Feldtest stellt einen wichtigen Schritt zur Implementierung dieser hochsicheren Quantenkommunikationstechnologie unter Nutzung der Art von Kommunikationsnetzwerken dar, die bereits in vielen Regionen der Welt vorhanden sind.

QKD bietet eine undurchdringliche Verschlüsselung für die Datenkommunikation, da es die Quanteneigenschaften des Lichts nutzt, um sichere Zufallsschlüssel zum Ver- und Entschlüsseln von Daten zu generieren.

„QKD kann in jeder Situation nützlich sein, in der Sicherheit an erster Stelle steht, da es bedingungslose Sicherheit für den Schlüsselaustauschprozess bietet“, sagte Marco Avesani von der Università degli Studi di Padova in Italien, Co-Erstautor der neuen Studie zusammen mit Luca Calderaro und Giulio Foletto . „Damit lassen sich zum Beispiel Gesundheitsdaten verschlüsseln und authentifizieren, die zwischen Krankenhäusern verschickt werden, oder Geldtransfers zwischen Banken.“

Forscher demonstrierten ein neues einfaches QKD-System über ein Glasfasernetz in Padua, Italien. Eine Karte des Stadtzentrums [©2021 Google] zeigt, dass der Sender im IKT-Zentrum der UniPD platziert war, während sich der Empfänger im Fachbereich Mathematik befand. Der Sender und der Empfänger waren über 3,4 km verlegte Glasfasern verbunden. Bildnachweis: QuantumFuture Group, Università degli Studi di Padova

„QKD-Systeme erfordern normalerweise ein komplexes Stabilisierungssystem und zusätzliche dedizierte Synchronisationshardware“, sagte Avesani. „Wir haben ein komplettes QKD-System entwickelt, das das kann

Es ist direkt mit Standard-Telekommunikationsgeräten verbunden und erfordert keine zusätzliche Hardware für die Synchronisierung. Das System passt problemlos in die Rack-Gehäuse, die üblicherweise in Serverräumen zu finden sind.“

Um die für QKD erforderlichen Quantenzustände zu erzeugen, entwickelten die Forscher einen neuen Encoder zur Manipulation der Polarisation einzelner Photonen. Der Encoder, den die Forscher iPOGNAC nennen, bietet eine feste und stabile Polarisationsreferenz, die keine häufige Neukalibrierung erfordert. Diese Funktion ist auch für die Quantenkommunikation im freien Raum und über Satelliten von Vorteil, bei der Neukalibrierungen schwierig durchzuführen sind.

„Aufgrund der von uns entwickelten Technologie war die Quelle bereit, Quantenzustände zu erzeugen, als wir unser System vom Labor zum Ort des Feldversuchs verlegten“, sagte Calderaro. „Wir mussten nicht den langsamen und oft fehleranfälligen Ausrichtungsvorgang durchführen, der für die meisten QKD-Systeme erforderlich ist.“

Der gesamte Sender für das neue QKD-System passt in ein 19-Zoll-Rackgehäuse, wie es üblicherweise in Serverräumen zu finden ist. Bildnachweis: Luca Calderaro, Università degli Studi di Padova

Die Forscher entwickelten außerdem einen neuen Synchronisationsalgorithmus, den sie Qubit4Sync nennen, um die Maschinen der beiden QKD-Benutzer zu synchronisieren. Anstatt dedizierte zusätzliche Hardware und einen zusätzlichen Frequenzkanal zur Synchronisierung zu verwenden, verwendet das neue System Software und dieselben optischen Signale, die für QKD verwendet werden. Dadurch wird das System kleiner, kostengünstiger und einfacher in ein bestehendes optisches Netzwerk integrierbar.

Um das neue System zu testen, brachten die Forscher ihre beiden QKD-Terminals zu zwei etwa 3,4 km voneinander entfernten Universitätsgebäuden in verschiedenen Stadtteilen von Padua. Sie verbanden die Systeme mit zwei unterirdischen Glasfaserkabeln, die Teil des Kommunikationsnetzes der Universität sind. Diese Fasern unterstützten den Quantenkanal, der Qubits transportiert, und den klassischen Kanal, der zur Übertragung von Zusatzinformationen erforderlich ist.

„Der Feldversuch war erfolgreich“, sagte Foletto. „Wir haben gezeigt, dass unser einfaches System geheime Schlüssel mit einer Geschwindigkeit von Kilobit pro Sekunde erzeugen kann und dass es außerhalb des Labors mit wenig menschlichem Eingreifen funktioniert. Außerdem war die Installation einfach und schnell.“

In einer öffentlichen Demonstration nutzten die Forscher ihren Aufbau, um einen quantengesicherten Videoanruf zwischen dem Rektor der Universität Padua und dem Direktor der Fakultät für Mathematik zu ermöglichen. Die Forscher stellen fest, dass die Leistung des Systems hinsichtlich der Generierungsrate geheimer Schlüssel mit anderen kommerziellen QKD-Systemen vergleichbar ist, außerdem weniger Komponenten aufweist und sich einfacher in ein bestehendes Glasfasernetzwerk integrieren lässt.

Sie arbeiten daran, die Größe des Detektionsgeräts zu reduzieren und das System robuster gegenüber Rauschen durch anderes Licht zu machen, das sich in derselben Faser bewegt. Die Bemühungen, ein vollständiges und autonomes QKD-System zu entwickeln, führten zur Gründung eines Spin-off-Unternehmens namens ThinkQuantum srl, das an der Kommerzialisierung dieser Technologie arbeitet.

Referenz: „Ressourceneffektive Quantenschlüsselverteilung: ein Feldversuch im Stadtzentrum von Padua“ von Marco Avesani, Luca Calderaro, Giulio Foletto, Costantino Agnesi, Francesco Picciariello, Francesco BL Santagiustina, Alessia Scriminich, Andrea Stanco, Francesco Vedovato, Mujtaba Zahidy, Giuseppe Vallone und Paolo Villoresi, 9. Juni 2021, Optics Letters.DOI: 10.1364/OL.422890