La distribution de clés quantiques (QKD) est une méthode utilisée pour les échanges de clés sécurisées ou secrètes entre deux utilisateurs distants. Grâce à une communication sécurisée, les cyberscientifiques visent à terme à établir un réseau quantique mondial. Les tests sur le terrain existants suggèrent que de tels réseaux quantiques sont réalisables. Pour réaliser un réseau quantique pratique, plusieurs défis doivent être surmontés dont la réalisation de topologies variées à grande échelle, maintenance simple du réseau et robustesse aux défaillances de nœuds. Dans un nouveau rapport maintenant publié le Avancées scientifiques , Teng-Yun Chen et une équipe de recherche en physique quantique, information quantique et sciences de l'information interdisciplinaires en Chine, a présenté une opération sur le terrain d'un réseau métropolitain quantique avec 46 nœuds. Ils ont réalisé diverses structures topologiques et ont fait fonctionner le réseau pendant 31 mois via un équipement standard. Ils ont ensuite réalisé l'appairage QKD et la gestion des clés pour des communications sécurisées incluant la téléphonie vocale en temps réel, messagerie texte et transmission de fichiers avec cryptage unique pour prendre en charge 11 paires d'utilisateurs pour passer des appels audio simultanés. La technique peut être combinée avec une dorsale quantique interurbaine et via des liaisons sol-satellite pour former un réseau quantique mondial.

Réseau quantique mondial

Dans ce travail, Chen et al. construit un réseau métropolitain quantique à 46 nœuds dans toute la ville de Hefei. La distribution de clés quantiques (QKD) vise à terme à construire un réseau quantique mondial où les trafics de communication ont des garanties de sécurité théoriques de l'information. Un réseau QKD mondial peut maintenir deux types de liaisons dont le réseau terrestre et le réseau satellite, où le réseau au sol peut être divisé en une épine dorsale, réseaux métropolitains et d'accès pour couvrir les distances interurbaines et les distances fibre optique jusqu'au domicile. Des chercheurs ont étudié la faisabilité du QKD entre deux utilisateurs à travers l'espace libre longue distance, fibres télécoms et liaisons sol-satellite simulées. Des exemples de tests sur le terrain de réseaux QKD qui sont déjà réalisés comprennent un réseau à trois utilisateurs par la DARPA, un réseau à six nœuds en Europe, le réseau SwissQuantum ainsi qu'un réseau maillé à six nœuds à Tokyo. Le réseau satellitaire a fourni une méthode prometteuse pour réaliser des communications intercontinentales, communication sécurisée en raison d'une faible atténuation de transmission dans l'espace tout en servant de relais de confiance pour connecter des nœuds d'utilisateurs distants ou des sous-réseaux. Les scientifiques avaient récemment mis en place un réseau satellitaire à grande échelle contenant quatre réseaux métropolitains, un réseau fédérateur et deux liaisons satellite-sol. Cependant, ces expériences et réseaux QKD sont encore préliminaires, l'équipe a donc abordé les défis entourant la réalisation d'un réseau QKD pratique à grande échelle.

Chen et al. construit un réseau métropolitain quantique à 46 nœuds pour connecter 40 nœuds utilisateurs, trois relais de confiance et trois commutateurs optiques, dans tout Hefei. Le réseau couvrait l'ensemble de la zone urbaine et reliait plusieurs organisations au sein des quartiers de la ville, y compris les gouvernements, banques, hôpitaux, et les universités de recherche. Ils ont d'abord passé en revue les structures topologiques de base dans un réseau où la méthode la plus robuste utilisait une topologie entièrement connectée où chaque utilisateur était directement connecté à tous les autres utilisateurs du réseau. Le type de réseau n'exigeait pas que les utilisateurs se fassent confiance. Les nœuds utilisateurs peuvent également être connectés via un commutateur central dans un réseau en étoile, où deux utilisateurs peuvent créer des clés sécurisées avec un nombre suffisant de relais de confiance. Par exemple, la dorsale Shanghai-Pékin a utilisé cette technique; cependant, l'inconvénient est que les utilisateurs doivent faire confiance au relais. Chen et al. construit trois sous-réseaux à l'USTC, QuantumCTek et la bibliothèque municipale qui sont répartis à 15 km l'un de l'autre.

Topologie du réseau et équipement QKD standard

Les chercheurs ont réalisé deux types de structures de connexion topologiques de base, notamment la connexion complète entre trois sous-réseaux et des connexions en étoile pour les réseaux d'accès locaux. Lors des expérimentations, l'équipe a utilisé un commutateur optique appelé nœud de confiance au centre du sous-réseau en forme d'étoile. En utilisant le nœud de confiance, ils ont attribué des clés classiques entre les utilisateurs pour fonctionner comme un routeur classique, tandis que les commutateurs optiques passe-tout agissaient comme des routeurs quantiques pour redistribuer les signaux quantiques. En fonction de la configuration, deux utilisateurs peuvent communiquer directement sans interférer avec les autres utilisateurs. Chen et al. développé en outre un type de module de commutation comprenant quatre ports d'entrée et huit ports de sortie, l'autre contenait un commutateur à 16 ports qui permettait à huit paires d'utilisateurs de communiquer simultanément. L'équipe a utilisé un protocole pour générer des clés secrètes entre des utilisateurs directement connectés et des relais de confiance. Si un utilisateur avait un émetteur quantique et l'autre un récepteur quantique, ils pourraient générer des clés. La plateforme contenait donc deux types d'utilisateurs; ceux directement connectés à un interrupteur contenant à la fois un émetteur et un récepteur, et les utilisateurs directement connectés à un relais de confiance avec seulement un émetteur quantique. Par conséquent, les scientifiques ont utilisé deux types d'équipements; un pour transmettre des signaux et un autre pour transmettre et recevoir des signaux en même temps. Après réconciliation de base et correction d'erreurs, ils ont standardisé l'équipement QKD pour réduire considérablement le nombre d'appareils utilisés.

Concevoir une stratégie de commutation :Applications et robustesse du réseau

Chen et al. développé un processus de gestion des clés pour permettre aux utilisateurs de générer des clés en haute priorité. Pour y parvenir, ils ont conçu une stratégie de commutation basée sur le nombre de clés stockées dans les mémoires locales pour les utilisateurs. Ils ont ensuite connecté un commutateur optique à 16 ports à 16 utilisateurs pour obtenir un total de 120 schémas d'appariement de clés possibles grâce auxquels deux utilisateurs pourraient être connectés pour le processus QKD pendant un temps de commutation allant de 10 à 60 minutes. Pour rejoindre le réseau, un nouvel utilisateur devait d'abord envoyer une trame de pulsation de son appareil QKD au serveur de gestion de clés pour authentification, puis demander à l'appareil de générer des clés. Pour la sécurité, l'équipe a suivi l'analyse de sécurité standard de l'état de leurre BB84 et a généré le taux de clé secrète du protocole de distribution de clé quantique BB84. Sur la base de l'application du réseau, les utilisateurs ont utilisé les clés sécurisées générées pour transférer des informations en toute confiance. En utilisant le réseau, Chen et al. transmis des informations cryptées, y compris la téléphonie vocale en temps réel, messagerie instantannée, et les fichiers numériques avec la méthode de cryptage par tampon à usage unique. Le délai total du processus de cryptage était inférieur à 50 µs. Lorsque les chercheurs ont testé la capacité du réseau pendant 50 minutes, les 22 utilisateurs pouvaient passer des appels simultanément pendant six minutes, au sein du réseau quantique. Pour tester la stabilité et la robustesse du système, ils ont exploité le réseau en continu pendant 31 mois.

De cette façon, Teng-Yun Chen et ses collègues ont développé un réseau de distribution de clés quantiques métropolitaines (QKD) pratique et à grande échelle avec des produits QKD commerciaux pour une utilisation pratique à Hefei, Chine. L'équipe pourrait faire évoluer le réseau quantique en ajoutant plus d'utilisateurs et de relais pour se connecter à la dorsale Shanghai-Pékin en tant que réseau national. Le réseau peut également être combiné avec d'autres protocoles QKD pour surmonter les imperfections des appareils de mesure pour une communication efficace et sécurisée.

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