La comunicación directa segura cuántica (QSDC) es una rama importante de la comunicación cuántica, basado en los principios de la mecánica cuántica para la transmisión directa de información clasificada. Si bien los estudios experimentales recientes de prueba de principio han logrado un progreso notable; Los sistemas QSDC quedan por implementar en la práctica. En un estudio reciente, Ruoyang Qi y sus compañeros de trabajo en los departamentos de física cuántica de baja dimensión, tecnologías de la información, ingeniería electrónica y de la información, propuso e implementó experimentalmente un sistema de comunicación seguro cuántico práctico.

En el trabajo, Qi y col. analizó la seguridad del sistema utilizando la teoría del canal de escuchas telefónicas de Wyner. Los científicos desarrollaron un esquema de codificación utilizando códigos de verificación de paridad de baja densidad (LDPC) de concatenación (interconectados) en un entorno realista de alto ruido y altas pérdidas. El sistema operó con una tasa de repetición de 1 MHz en una distancia de 1,5 kilómetros y mantuvo una tasa de comunicación segura de 50 bps para enviar mensajes de texto. imágenes y sonidos de tamaño razonable. Los resultados ahora se publican en Luz:ciencia y aplicaciones .

El trabajo de Qi et al. destacó una forma de QSDC que puede transferir información directa sin una clave de distribución para evitar la vulnerabilidad a los ataques. En el trabajo, el equipo utilizó un láser de 1550 nm para generar fotones individuales que transportaban información cuántica segura, los científicos pudieron decodificar con éxito la información una vez recibida. El método fue confiable incluso en entornos realistas causados ​​por una gran pérdida de fotones o errores introducidos debido al ruido. El Comité del Consulado de Sistemas de Datos Espaciales (CCDS) implementó el código LDPC estándar que utilizaron en el estudio para mejorar el rendimiento de la corrección de errores para aplicaciones cercanas a la Tierra y en el espacio lejano.

La seguridad global depende de infraestructuras de comunicación seguras. En el presente, la comunicación está asegurada mediante técnicas de encriptación como el esquema de clave pública RSA. La capacidad de secreto se define como la máxima de todas las velocidades de transmisión alcanzables con seguridad y confiabilidad. En la práctica, Es difícil estimar la capacidad de secreto en los sistemas de comunicación clásicos debido a la dificultad con la detección de escuchas. En sistemas cuánticos, fotones individuales o pares de fotones entrelazados pueden transmitir información digital, dando lugar a nuevas características en la criptografía cuántica, inalcanzable en los medios de transmisión clásicos. En principio, es imposible escuchar a escondidas sin perturbar la transmisión para evitar la detección en una configuración de este tipo.

El primer protocolo de comunicación cuántica fue propuesto por Bennett y Brassard (BB84), basado en la explotación de recursos cuánticos para un acuerdo clave seguro. En 2000, Se propuso QSDC para comunicar información directamente sin una clave secreta y eliminar las lagunas asociadas con el almacenamiento de claves y los ataques de texto cifrado. Estudios posteriores de prueba de principio han demostrado fotones únicos y pares entrelazados basados ​​en QSDC, incluidos estudios en los que una fibra podría comunicarse a una distancia significativa de 500 m utilizando protocolos QSDC de dos pasos.

En el presente estudio, Qi y col. implementó un práctico sistema de comunicación directa cuántica segura utilizando un procedimiento basado en el protocolo DL04 (sin clave). Según el modelo de escuchas telefónicas de Wyner, implementar el sistema QSDC en la práctica, el sistema debe funcionar por debajo de la capacidad de secreto del canal para la transmisión segura de información. Los científicos calcularon la capacidad de secreto del sistema utilizando códigos de verificación de paridad de baja densidad (LDPC) interconectados. Diseñaron el esquema para operar específicamente en regímenes de alta pérdida y alta tasa de error, único para la comunicación cuántica. Qi y col. así demostró que la plataforma QSDC podría funcionar eficazmente en un entorno realista.

Al implementar el protocolo DL04-QSDC, los científicos incluyeron un "canal principal" discreto y sin memoria y un "canal de escuchas telefónicas". El canal principal representaba la red entre el emisor y el receptor. El canal de escuchas telefónicas representaba la red entre los usuarios legítimos y el espía. El protocolo contenía cuatro pasos:

1. Hipotéticamente Bob es un receptor de información legítimo que prepara una secuencia de qubits. Cada qubit está aleatoriamente en uno de los cuatro estados (| 0> , | 1> , | +> y | -> ). Luego envía la secuencia de estados al remitente de información Alice.
2. Al recibir la secuencia de un solo fotón, Alice elige algunos de ellos al azar y los mide al azar. Ella publica las posiciones, la base de medición y los resultados de medición de esos fotones individuales. Bob compara esta información con sus preparativos de estos estados y estima la tasa de error de bits del canal Bob-to-Alice e informa a Alice a través de un canal de transmisión. Alice puede entonces estimar la capacidad máxima de secreto (Cs) del canal Bob-to-Alice utilizando la teoría del canal de escuchas telefónicas.
3. Alice elige una secuencia de codificación para los qubits restantes. Este esquema se basa en los códigos LDPC interconectados. Ella construye las palabras de código y se las devuelve a Bob.
4. Bob decodifica el mensaje de Alice a partir de las señales que recibió después de medir los qubits en la misma base que preparó. Si la tasa de error está por debajo de la capacidad de corrección del código LDPC, la transmisión es exitosa. Luego comienzan de nuevo desde el paso 1 para enviar otra parte del mensaje secreto hasta que transmiten por completo el mensaje completo. Si la tasa de error es mayor que la capacidad de corrección del código LDPC, ni Bob ni la espía Eve pueden obtener información, en cuyo caso dan por terminado el proceso.

Qi y col. utilizó láseres altamente atenuados como fuente aproximada de fotón único en la implementación. Para una mejor aproximación de una sola fuente de fotones para detectar ataques de escucha, Se puede utilizar un método de distribución de claves cuánticas de estado señuelo. Si la capacidad de confidencialidad es distinta de cero para cualquier canal de escuchas telefónicas, es decir, si el receptor legítimo tiene un canal mejor que el que escucha a escondidas, existe algún esquema de codificación que logra un secreto perfecto según el modelo de Wyner. Sin embargo, no todos los esquemas de codificación pueden garantizar la seguridad, que depende esencialmente de los detalles de la codificación.

Luego, los científicos implementaron el esquema en un sistema de fibra con codificación de fase, para la comunicación cuántica a través de largas distancias. En esta configuración, Bob prepara una secuencia de pulsos de fotón único, después del control de polarización y la atenuación, los pulsos se preparan como qubits aleatorios y se envían al sitio de Alice a través de una fibra de 1,5 km de largo. Al llegar al sitio de Alice, está dividido en dos partes, donde uno va al módulo de codificación y el otro al módulo de control para la verificación de errores, controlado por matrices de puertas programables en campo (FPGA) en la configuración.

Simultáneamente se produce la codificación en el módulo de codificación. Si la tasa de error es menor que el umbral, la parte de codificación puede enviar los fotones individuales de vuelta a Bob a través de la misma fibra, donde son guiados a detectores de fotón único para su medición. Los científicos controlaron la configuración que constaba de moduladores trifásicos (PM) y detectores de fotón único (SPD) para codificar mensajes en los dos sitios utilizando las FPGA. que fueron controlados aún más por computadoras de la posición superior.

En los resultados experimentales, los científicos representaron la información mutua versus la pérdida del sistema como dos líneas rectas. El área entre estas dos líneas formó el área segura teórica de la información. Como resultado, para un esquema de codificación con una tasa de información dentro del área especificada, la seguridad podría estar garantizada de forma fiable. Usando la configuración experimental, Qi y col. alcanzó una tasa de información segura de 50 bps, bien dentro del área segura definida.

Los científicos ilustraron un esquema de codificación para garantizar la confiabilidad de la transmisión de QSDC basado en códigos LDPC interconectados. El preprocesamiento se basó en familias de hash universales (UHF). En el proceso, para cada mensaje (m), el remitente Alice genera una secuencia local de bits aleatorios (r) y semillas públicas aleatorias. Próximo, ella se asigna a un vector (u) por el inverso de un UHF apropiadamente elegido (UHF ^-1 ), que luego se cambia por el código LDPC a (v), mapeado a la palabra clave (c) y enviado al sitio del receptor.

En teoría de la información, El teorema de codificación de canal ruidoso establece una comunicación confiable para cualquier grado dado de contaminación por ruido de un canal de comunicación. Para asegurar la confiabilidad de la información, Alice modula los pulsos que llegan al receptor legítimo Bob, quien toma las medidas sobre la misma base que las preparó. Debido a pérdidas y errores, Bob recibe una palabra en clave degradada, que demapea y decodifica después de postprocesar con UHF para obtener el mensaje.

De este modo, Qi y col. implementó un sistema QSDC práctico en un entorno realista de alto ruido y alta pérdida. Entre otras técnicas, los científicos utilizaron un código LDPC para reducir errores y pérdidas en el sistema. Analizaron la seguridad del sistema en profundidad utilizando la teoría del canal de escuchas telefónicas de Wyner. Cuando la capacidad de confidencialidad era distinta de cero; un esquema de codificación con una tasa de información menor que la capacidad de secreto aseguraba tanto la seguridad como la confiabilidad de la transmisión de información. En total, los científicos obtuvieron una tasa de información segura de 50 bps a una distancia prácticamente significativa de 1,5 km. Qi y col. implican que estos parámetros son prematuros y visualizan un sistema mejorado que puede integrar la tecnología existente para una mayor tasa de transmisión de información de docenas de kbps en el futuro.

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