DARPA量子ネットワーク

DARPA_Quantum_Network
DARPA量子ネットワーク(2002-2007)は、世界初だったの量子鍵配布全体で10の光ノード操作し、(QKD)ネットワークボストンとケンブリッジ、マサチューセッツ州。 2003年10月23日にBBNの研究所で完全に運用可能になり、2004年6月にケンブリッジとボストンの通りの下でダークファイバーを介してフィールドされ、3年以上継続して稼働しました。このプロジェクトはまた、世界初の超伝導ナノワイヤー単一光子検出器を作成し、フィールドに投入しました。これは、QuISTプログラムの一部としてDARPAによって後援され、によって構築および運用されました。BBN Technologiesは、ハーバード大学およびボストン大学フォトニクスセンターの同僚と緊密に協力しています。
2004年のエンタングルメントベースのレシーバーであるバーブ。
DARPA Quantum Networkは、標準のインターネットテクノロジーと完全に互換性があり、QKDから派生したキーマテリアルを提供して、仮想プライベートネットワークを作成したり、IPsecやその他の認証をサポートしたり、その他の目的で使用したりできます。すべての制御メカニズムとプロトコルは、Unix カーネルとフィールドプログラマブルゲートアレイに実装されました。QKDから派生した主要な資料は、ビデオ会議やその他のアプリケーションに日常的に使用されていました。
DARPA量子ネットワークは段階的に構築されました。プロジェクトの最初の年(1年目)に、BBNは完全なQKDシステム(アリスとボブ)を設計および構築しました。減衰レーザー源(平均光子数は約0.1)がテレコムファイバーを通過し、安定化されたマッハツェンダー干渉計。BBNは、BB84に基づく産業用強度のQKDプロトコルの完全なスイートも実装しました。2年目に、BBNは、IBM Researchによって作成された商用品質のInGaAs検出器を使用して、このシステムの2つの「Mark2」バージョン(4ノード)を作成しました。これらの4つのノードは、2003年10月からBBNの研究室で継続的に稼働し、2004年6月に2つがハーバード大学とボストン大学に配備され、ネットワークがボストンのメトロエリアで24時間365日継続的に稼働し始めました。3年目に、ネットワークは8ノードに拡張され、テレコムファイバー用に設計されたエンタングルメントベースのシステム(ボストン大学での作業から派生)と、米国国立標準技術研究所によって設計および構築された高速大気(フリースペース)リンクが追加されました。標準と技術。4年目に、BBNは、Qinetiqによって作成されたノードを使用して、ネットワーク全体に2番目のフリースペースリンクを追加し、改善されたQKDプロトコルと検出器を調査しました。最後に、5年目に、BBNは世界初の超伝導ナノワイヤー単一光子検出器を運用ネットワークに追加しました。 これは、BBN、ロチェスター大学、および米国国立標準技術研究所の研究者間の共同研究によって作成されました。その最初の100Mhzシステムは、テレコム波長で既存の単一光子検出器よりも20倍高速に動作しました。 その最終年に、BBNはマサチューセッツ工科大学の研究者とも協力して、世界初の量子盗聴器(Eve)の概念実証バージョンを実装および実験しました。
完全に構築されたとき、ネットワークの10ノードは次のようになりました。すべてがBBNの量子鍵配送および量子ネットワークプロトコルを実行したため、相互運用して任意から任意の鍵配送を実現しました。
アリス、ボブ– 5 MHz、テレコムファイバーを介した減衰レーザーパルス、位相変調
アンナ、ボリス– 5 MHz、テレコムファイバーを介した減衰レーザーパルス、位相変調
アレックス、バーブ–テレコムファイバーを介したエンタングルメントベースの光子、偏光変調
アリババ–約400 MHz、大気中の減衰レーザーパルス、偏光変調
アマンダ、ブライアン–大気中の減衰レーザーパルス、偏光変調
DARPA Quantum Networkは、さまざまな量子鍵配送プロトコルを実装して、それらの特性を調査しました。すべてが単一の本番品質のプロトコルスタックに統合されました。認証は、公開鍵、共有秘密鍵、またはその2つの組み合わせに基づいていました。(共有秘密鍵は、QKDから派生した鍵によって更新できます。)プライバシーの増幅は、GF UniversalHashを介して実装されました。エントロピー推定はRényiエントロピーに基づいており、BBBSS 92、Slutsky、Myers / Pearson、およびShor / Preskillプロトコルによって実装されました。エラー訂正は、カスケードプロトコルのBBNバリアント、または低密度パリティチェックコード(LDPC)に基づく前方誤り訂正を介してシャノン限界近くで効率的なワンパス操作を提供するBBNナイアガラプロトコルによって実装されました。ふるい分けは、従来の方法、ランレングスエンコーディング、またはいわゆる「SARG」ふるい分けのいずれかによって実行されました。
また、QKDネットワーキングプロトコルの2つの主要な形式を実装しました。最初に、キーリレーはネットワーク内の「信頼できる」ノードを使用して、2つのエンドポイント間でキー蒸留用の材料をリレーしました。このアプローチにより、ノードは、互換性のない2つのテクノロジーを介して実装された場合でも、共有キーマテリアルについて合意することができました。たとえば、ファイバを介した位相変調に基づくノードは、大気を介した偏波変調に基づくノードとキーを交換できます。実際、送信機が他の(互換性のあるまたは互換性のない)送信機と重要な資料を共有することさえ許可していました。さらに、生のキーマテリアルは、ネットワークを介した複数の「ストライプ」パス(たとえば、互いに素なパス)によってルーティングされ、エンドツーエンドで再結合されるため、途中でネットワークノードの1つを制御することでEveが得る利点が失われます。次に、QKD対応の光ルーティングプロトコルにより、ノードはネットワーク内の透過的な光スイッチを制御できるため、複数のQKDシステムが同じ光ネットワークインフラストラクチャを共有できます。
厳選された論文
「量子ネットワークの構築」、Chip Elliott、New Journal of Physics、2002年7月。
「実際の量子暗号」、Chip Elliott、David Pearson、Gregory Troxel、ACM SIGCOMM2002。
「干渉計QKDリンクの経路長制御」、Chip Elliott、Oleksiy Pikalo、John Schlafer、Greg Troxel、Proceedings AeroSense 2003、Volume 5105、Quantum Information and Computation、2003。
「DARPA量子ネットワーク」、チップエリオット、2004年12月。
「DARPA量子ネットワークの現状」、Chip Elliott、Alexander Colvin、David Pearson、Oleksiy Pikalo、John Schlafer、Henry Yeh、SPIE Defense + Commercial Sensing 2005
「理論とデバイスからQKDネットワークを構築する」(スライドプレゼンテーション)、David Pearson、
「DARPAQuantumNetwork」、C。Elliott、Quantum Communications and Cryptography、Alexander V. Sergienko編、CRC Press、2005年。
「量子暗号の最適な平均光子数について」、DavidPearsonおよびChipElliott、「Computer Science and Quantum Computing」、James E. Stones編、Nova Science Publishers、2007年。
DARPA Quantum Network Testbed:Final Technical Report、 ChipElliottおよびHenryYeh、BBN Technologies、2007年7月。
「量子ネットワーキングにおけるネットワーキング」、チップエリオット、2018年。
参考文献
^ DARPA Quantum Network Testbed:Final Technical Report、 ChipElliottおよびHenryYeh、BBN Technologies、2007年7月。 ^ 「DARPA量子ネットワーク」、チップエリオット、2004年12月。 ^ DARPA量子鍵配送ネットワーク。 ^ 最終報告書、2ページ。 ^ ハドフィールド、ロバートH。; ハビフ、ジョナサンL。; シュレーファー、ジョン; Schwall、Robert E。; ナム、セウ(2006年12月11日)。「ツイン超伝導単一光子検出器を使用した1550nmでの量子鍵配送」。応用物理学の手紙。AIPパブリッシング。89(24):241129. DOI:10.1063 / 1.2405870。ISSN  0003から6951まで。 ^ Jaspan、Martin A。; ハビフ、ジョナサンL。; ハドフィールド、ロバートH。; ナム、セウ(2006年7月17日)。「超伝導単一光子検出器による通信光子ペアのヒーリング」。応用物理学の手紙。AIPパブリッシング。89(3):031112. DOI:10.1063 / 1.2219411。ISSN 0003から6951まで。   ^ 「高速超伝導単一光子検出器による量子鍵配送」、Robert H Hadfield、Jonathan L Habif、Lijun Ma、Alan Mink、Xiao Tang、Sae Woo Nam、Quantum Electronics and Laser Science Conference、2007年。 ^ ハビフ、ジョナサンL。; ピアソン、デビッドS。; ハドフィールド、ロバートH。; Schwall、Robert E。; ナム、セウ; Miller、Aaron J.(2006年10月18日)。量子鍵配送テストにおける単一光子検出器の比較。6372。SPIE。p。63720Z。土井:10.1117 /12.685552。
^ キム、テヒョン; コウノトリのgenanntWersborg、Ingo; ウォン、フランコNC; シャピロ、ジェフリーH.(2007年4月25日)。「Bennett-Brassard1984プロトコルに対する絡み合いプローブ攻撃の完全な物理シミュレーション」。フィジカルレビューA。アメリカ物理学会(APS)。75(4):042327. arXivの:定量-PH / 0611235v1。土井:10.1103 /physreva.75.042327。ISSN 1050年から2947年。   ^ 「量子ネットワーキングにおけるネットワーキング」、チップエリオット、2018年。 ^ 最終テクニカルレポート、第13章。 ^ 最終テクニカルレポート、第14章および第15章。

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