1. Dystrybucja klucza kwantowego (QKD)

Fotony, jako jedyne cząstki kwantowe zdolne do propagacji na duże odległości przy zachowaniu koherencji kwantowej, są naturalnym wyborem dla komunikacji kwantowej. Ta sekcja analizuje kluczowe protokoły i ich implementacje na platformach fotonicznych.

Kwantowa dystrybucja klucza reprezentuje najbardziej dojrzałe komercyjnie zastosowanie technologii kwantowych, z działającymi sieciami w wielu krajach. Bezpieczeństwo QKD opiera się na fundamentalnych prawach mechaniki kwantowej, nie na założeniach obliczeniowej trudności.

Protokoły BB84 i ich implementacje fotoniczne

Protokół BB84, zaproponowany przez Bennetta i Brassarda, wykorzystuje cztery stany kwantowe w dwóch sprzężonych bazach. Dla kubitów polaryzacyjnych:
\[
\text{Baza } Z: |0\rangle = |H\rangle, |1\rangle = |V\rangle
\]
\[
\text{Baza } X: |+\rangle = \frac{|H\rangle + |V\rangle}{\sqrt{2}}, |-\rangle = \frac{|H\rangle – |V\rangle}{\sqrt{2}}
\]

Protokół przebiega następująco: Alicja losowo wybiera bit (0 lub 1) i bazę (X lub Z), przygotowuje odpowiedni stan i wysyła do Boba. Bob losowo wybiera bazę pomiarową i mierzy otrzymany foton. Publiczna dyskusja ujawnia wybrane bazy (nie wyniki). Bity gdzie bazy się zgadzają tworzą przesianą sekwencję (ang. sifted key) – około 50% początkowych bitów. Część klucza używana do estymacji błędów i detekcji podsłuchu – współczynnik błędów (QBER) poniżej 11% gwarantuje możliwość destylacji bezpiecznego klucza.

Implementacja wymaga źródła pojedynczych fotonów lub silnie tłumionych impulsów, modulatorów do przygotowania stanów (modulatory elektro-optyczne lub zintegrowane modulatory), kanału kwantowego (światłowód lub przestrzeń swobodna) oraz detektorów z bramkowaniem czasowym dla redukcji szumu ciemnego (ang. dark count).

Główne źródła błędów i ograniczeń to niedoskonałe źródła — impulsy wielofotonowe umożliwiają atak rozdzielania liczby fotonów, straty w kanale ograniczają zasięg (3 dB strat = 50% redukcja szybkości klucza), szum ciemny detektorów i emisja impulsów wtórnych (ang. afterpulsing) wprowadzają błędy oraz niedoskonała modulacja stanów redukuje bezpieczeństwo.

Protokoły QKD ze zmiennymi ciągłymi

QKD ze zmiennymi ciągłymi wykorzystuje kwadratury światła (amplituda i faza) zamiast dyskretnych stanów polaryzacyjnych. Oferuje to kompatybilność ze standardową infrastrukturą telekomunikacyjną.

Protokół stanów koherentnych modulowanych gaussowsko: Alicja moduluje stany koherentne \(|\alpha\rangle\) z gaussowskim rozkładem w przestrzeni fazowej. Bob mierzy kwadratury używając detekcji homodynowej lub heterodynowej. Korelacje między przygotowanymi i zmierzonymi wartościami tworzą surowy klucz.

Główne zalety QKD ze zmiennymi ciągłymi to kompatybilność z klasycznymi układami WDM, wysokie szybkości detekcji (GHz wobec MHz dla detektorów pojedynczych fotonów) oraz wykorzystanie standardowych komponentów telekomunikacyjnych. Wyzwania obejmują wrażliwość na nadmiarowy szum w kanale, bardziej złożoną analizę bezpieczeństwa oraz typowo krótszy zasięg niż QKD ze zmiennymi dyskretnymi.

Rekordowe demonstracje osiągają >100 km zasięgu dla QKD ze zmiennymi dyskretnymi w światłowodach o ultra-niskich stratach, >1 Mbps bezpiecznej szybkości klucza na krótkich odległościach oraz koegzystencję z klasycznym ruchem w tym samym światłowodzie (używając różnych długości fal).

Sieci QKD i praktyczne wdrożenia

Przejście od QKD punkt-punkt do sieci wymaga rozwiązania dodatkowych wyzwań.

Sieci z zaufanymi węzłami: najprostsza architektura gdzie pośrednie węzły są zaufane, każdy segment używa niezależnego QKD, klucze są łączone używając XOR w zaufanych węzłach. Bezpieczeństwo zależy od fizycznego bezpieczeństwa węzłów.

MDI-QKD (ang. Measurement Device Independent): eliminuje wymaganie zaufania do detektorów, Alicja i Bob wysyłają stany do centralnej stacji pomiarowej Charliego, Charlie wykonuje pomiar stanu Bella i ogłasza wyniki, korelacje między przygotowaniami Alicji i Boba tworzą klucz. Odporny na wszystkie ataki na część detekcyjną układu.

Komercyjne wdrożenia obejmują Chińską sieć kwantową łączącą Pekin-Szanghaj (2000 km), Europejskie sieci SECOQC i UK Quantum Network oraz komercyjne układy od ID Quantique, Toshiby i innych. Typowe parametry komercyjnych układów to od 50 do 100 km zasięgu w standardowych światłowodach, od 1 do 10 kbps bezpiecznej szybkości klucza oraz integracja z klasycznymi układami kryptograficznymi dla zarządzania kluczami.