La communication directe sécurisée quantique (QSDC) est une branche importante de la communication quantique, basé sur les principes de la mécanique quantique pour la transmission directe d'informations classifiées. Alors que les récentes études expérimentales de preuve de principe ont fait des progrès remarquables; Les systèmes QSDC restent à mettre en œuvre dans la pratique. Dans une étude récente, Ruoyang Qi et ses collègues des départements de physique quantique de basse dimension, informatique, l'électronique et l'ingénierie de l'information, proposé et mis en œuvre expérimentalement un système de communication sécurisé quantique pratique.

Dans le travail, Qi et al. analysé la sécurité du système en utilisant la théorie du canal d'écoute électronique de Wyner. Les scientifiques ont développé un schéma de codage utilisant des codes de contrôle de parité à faible densité (LDPC) de concaténation (interconnectés) dans un environnement réaliste de bruit élevé et de pertes élevées. Le système fonctionnait avec un taux de répétition de 1 MHz sur une distance de 1,5 kilomètre et maintenait un taux de communication sécurisé de 50 bps pour envoyer des messages texte, des images et des sons de taille raisonnable. Les résultats sont maintenant publiés dans Lumière :science et applications .

Les travaux de Qi et al. a mis en évidence une forme de QSDC qui peut transférer des informations directes sans clé de distribution pour éviter la vulnérabilité aux attaques. Dans le travail, l'équipe a utilisé un laser à 1550 nm pour générer des photons uniques transportant des informations quantiques sécurisées, les scientifiques ont réussi à décoder les informations dès leur réception. La méthode était fiable même dans des environnements réalistes causés par une perte de photons élevée ou des erreurs introduites en raison du bruit. Le code LDPC standard qu'ils ont utilisé dans l'étude pour de meilleures performances de correction d'erreurs a été mis en œuvre par le Comité consulaire pour les systèmes de données spatiales (CCDS) pour les applications proches de la Terre et de l'espace lointain.

La sécurité mondiale dépend d'infrastructures de communication sécurisées. Maintenant, la communication est sécurisée via des techniques de cryptage telles que le schéma de clé publique RSA. La capacité de confidentialité est définie comme le summum de tous les débits de transmission réalisables avec sécurité et fiabilité. En pratique, il est difficile d'estimer la capacité de secret dans les systèmes de communication classiques en raison de la difficulté de détection des écoutes. Dans les systèmes quantiques, des photons uniques ou des paires de photons enchevêtrés peuvent transmettre des informations numériques, donnant naissance à de nouvelles fonctionnalités en cryptographie quantique, inaccessible dans les médias de transmission classiques. En principe, il est impossible d'écouter sans perturber la transmission afin d'éviter la détection dans une telle configuration.

Le premier protocole de communication quantique a été proposé par Bennett et Brassard (BB84), basé sur l'exploitation des ressources quantiques pour un accord de clé sécurisé. En 2000, QSDC a été proposé pour communiquer des informations directement sans clé secrète et éliminer les failles associées au stockage de clés et aux attaques par texte chiffré. Des études de preuve de principe ultérieures ont démontré des photons uniques basés sur QSDC et des paires intriquées, y compris des études où une fibre pourrait communiquer sur une distance significative de 500 m en utilisant des protocoles QSDC en deux étapes.

Dans la présente étude, Qi et al. a mis en place un système pratique de communication directe sécurisée quantique utilisant une procédure basée sur le protocole DL04 (sans clé). Selon le modèle d'écoute électronique de Wyner, mettre en œuvre le système QSDC dans la pratique, le système doit fonctionner en dessous de la capacité de secret du canal pour la transmission sécurisée des informations. Les scientifiques ont estimé la capacité de confidentialité du système à l'aide de codes de contrôle de parité à faible densité (LDPC) interconnectés. Ils ont conçu le système pour fonctionner spécifiquement dans des régimes de pertes et de taux d'erreur élevés, unique pour la communication quantique. Qi et al. ainsi démontré que la plate-forme QSDC pouvait fonctionner efficacement dans un environnement réaliste.

Lors de la mise en œuvre du protocole DL04-QSDC, les scientifiques ont inclus un « canal principal » discret sans mémoire et un « canal d'écoute électronique ». Le canal principal représentait le réseau entre l'expéditeur et le destinataire. Le canal d'écoute électronique représentait le réseau entre les utilisateurs légitimes et l'espion. Le protocole comportait quatre étapes :

1. Hypothétiquement, Bob est un récepteur d'informations légitime qui prépare une séquence de qubits. Chaque qubit est aléatoirement dans l'un des quatre états (|0> , |1> , |+> et |-> ). Il envoie ensuite la séquence d'états à l'expéditeur d'informations Alice.
2. Lors de la réception de la séquence de photons uniques, Alice en choisit au hasard et les mesure au hasard. Elle publie les positions, la base de mesure et les résultats de mesure de ces photons uniques. Bob compare ces informations avec ses préparations de ces états et estime le taux d'erreur binaire du canal Bob-to-Alice et informe Alice via un canal de diffusion. Alice peut alors estimer la capacité de secret maximale (Cs) du canal Bob-to-Alice en utilisant la théorie du canal d'écoute électronique.
3. Alice choisit une séquence de codage pour les qubits restants. Ce schéma est basé sur les codes LDPC interconnectés. Elle construit les mots de code et les renvoie à Bob.
4. Bob décode le message d'Alice à partir des signaux qu'il a reçus après avoir mesuré les qubits dans la même base que celle qu'il a préparée. Si le taux d'erreur est inférieur à la capacité de correction du code LDPC, la transmission est réussie. Ils recommencent alors à partir de l'étape 1 pour envoyer une autre partie du message secret jusqu'à ce qu'ils transmettent complètement l'intégralité du message. Si le taux d'erreur est supérieur à la capacité de correction du code LDPC, ni Bob ni l'espionne Eve ne peuvent obtenir d'informations, auquel cas ils mettent fin au processus.

Qi et al. utilisé des lasers hautement atténués comme source approximative de photons uniques dans la mise en œuvre. Pour une meilleure approximation d'une source de photons unique pour détecter les attaques d'écoute, une méthode de distribution de clé quantique d'état de leurre peut être utilisée. Si la capacité de confidentialité n'est pas nulle pour un canal d'écoute électronique, c'est-à-dire si le récepteur légitime a un meilleur canal que l'espion, il existe un schéma de codage qui réalise le secret parfait selon le modèle de Wyner. Cependant, tous les schémas de codage ne peuvent pas garantir la sécurité, qui dépend essentiellement des détails du codage.

Les scientifiques ont ensuite mis en œuvre le schéma dans un système de fibre avec codage de phase, pour la communication quantique sur de longues distances. Dans cette configuration, Bob prépare une séquence d'impulsions à photon unique, après contrôle de polarisation et atténuation, les impulsions sont préparées sous forme de qubits aléatoires et envoyées au site d'Alice via une fibre de 1,5 km de long. A l'arrivée sur le site d'Alice, il est séparé en deux parties, où l'un va au module d'encodage et l'autre au module de contrôle pour le contrôle d'erreur, contrôlé par des réseaux de portes programmables sur le terrain (FPGA) dans la configuration.

L'encodage se produit simultanément dans le module d'encodage. Si le taux d'erreur est inférieur au seuil, la partie encodage est autorisée à renvoyer les photons uniques à Bob via la même fibre, où ils sont guidés vers des détecteurs de photons uniques pour la mesure. Les scientifiques ont contrôlé la configuration composée de modulateurs triphasés (PM) et de détecteurs à photon unique (SPD) pour coder les messages sur les deux sites à l'aide des FPGA, qui étaient en outre contrôlés par des ordinateurs de position supérieure.

Dans les résultats expérimentaux, les scientifiques ont représenté l'information mutuelle par rapport à la perte du système comme deux lignes droites. La zone entre ces deux lignes formait la zone sécurisée de la théorie de l'information. Par conséquent, pour un schéma de codage avec un débit d'informations dans la zone spécifiée, la sécurité pourrait être garantie de manière fiable. En utilisant le montage expérimental, Qi et al. atteint un taux d'information sécurisé de 50 bps, bien dans la zone sécurisée définie.

Les scientifiques ont illustré un schéma de codage pour garantir la fiabilité de la transmission pour QSDC sur la base de codes LDPC interconnectés. Le prétraitement était basé sur les familles de hachage universelles (UHF). Dans le processus, pour chaque message (m), l'expéditeur Alice génère une séquence locale de bit aléatoire (r) et de graine aléatoire publique (s). Prochain, elle correspond à un vecteur (u) par l'inverse d'une UHF convenablement choisie (UHF ^-1 ), qui est ensuite transformé par le code LDPC en (v), mappé au mot de code (c) et envoyé au site du destinataire.

En théorie de l'information, le théorème de codage de canal bruyant établit une communication fiable pour tout degré donné de contamination par le bruit d'un canal de communication. Pour garantir la fiabilité des informations, Alice module les impulsions qui parviennent au récepteur légitime Bob, qui fait des mesures dans la même base qu'il les a préparées. En raison de la perte et de l'erreur, Bob reçoit un mot de passe dégradé, qu'il démappe et décode après post-traitement en UHF pour obtenir le message.

De cette façon, Qi et al. mis en œuvre un système QSDC pratique dans un environnement réaliste de bruit élevé et de pertes élevées. Entre autres techniques, les scientifiques ont utilisé un code LDPC pour réduire les erreurs et les pertes dans le système. Ils ont analysé en profondeur la sécurité du système en utilisant la théorie du canal d'écoute électronique de Wyner. Lorsque la capacité de secret était non nulle ; un schéma de codage avec un débit d'informations inférieur à la capacité de secret assurait à la fois la sécurité et la fiabilité de la transmission des informations. Au total, les scientifiques ont obtenu un taux d'information sécurisé de 50 bps à une distance pratiquement significative de 1,5 km. Qi et al. impliquent que ces paramètres sont prématurés et envisagent un système amélioré qui peut intégrer la technologie existante pour un débit plus élevé de dizaines de kbps de transmission d'informations à l'avenir.

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