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九州量子QKD设备称经第三方检测:关键指标处领先水平!

发布时间:2018-01-12 15:01:49 来源:中国网生活 责任编辑:柯鹏

在信息高速发展的时代,信息安全成为大众关注的重点,传统密码学的安全性主要是基于大数因式分解的计算复杂度。但随着科技的发展,传统加密技术(如RSA)面临着被破解的风险,研发一种更加安全的加密方式迫在眉睫。量子保密通信因其无条件的安全性受到广泛关注,成为解决信息安全问题的“新宠”。

QKD(Quantum Key Distribution),即量子密钥分发设备,是量子保密通信的核心产品。量子密钥的产生和分发,主要是由它完成。QKD设备的研制门槛极高,国内仅少数研发团队能够实现。据悉九州量子成为国内第三个拥有QKD设备自主知识产权的研发团队。

此外,最新的第三方检测中显示: 经过城区地埋光缆、沿海架空光缆等三次不同场景的测试,九州量子QKD设备的误码率、成码率、压力稳定性及数据流量等关键指标均处于领先水平,尤其是误码率,在悬浮状态下已低至2%以内。

一、QKD——量子通信网络中的核心设备

量子通信是一种新型通信技术,是指利用量子力学基本原理或者基于物质量子特性的通信技术,其最大优点是具有理论上的无条件安全性。具体来说,量子态具有不可复制、单量子不可分割、测不准原理的特性,可以在公开的网络上为通信双方分发安全的量子密钥。通过量子密钥分发技术与一次一密相结合,实现理论上无条件安全的保密通信。

基于以上理论,九州量子的宋萧天博士带领团队对QKD设备进行了深入的研究和开发。宋萧天博士毕业于中国科学技术大学物理系,主要负责公司量子密钥分配系统的研发工作,开展量子密钥分发的工程化、集成化实现,新协议量子密钥分发的工程化实现等重要科学技术研究。

“量子密钥分发中使用量子态对信息进行编码,同时由于实际系统中器件的不完美性、环境和信道的扰动、以及窃听等都会造成测量结果与理论产生偏差。“宋萧天博士说,”要尽可能降低此类偏差、完成实际的量子密钥分发,除了遵循量子密钥分发协议之外,还需要对基矢比对之后的原始密钥进行包含纠错、保密放大等数据后处理操作。“

量子密钥分发系统作为量子密钥的分发、生成设备,是量子保密通信网络中的核心基础设备产品。从组建部门成员到搭建量子密钥研究体系再到,短短大半年的时间,宋萧天带领的团队便成为国内第三家拥有QKD设备自主知识产权的研发团队,其中需要克服的困难可想而知。

二、QKD设备实现新突破,误码率降至2%

误码率,是QKD设备的一项重要产品指标,它指的是QKD产品由于系统性误差或窃听者干扰产生的误码比特数与总的比特数的比率。

目前,九州量子自主研发的QKD设备已经被第三方公司基于三种完全不同的环境检测过。检测显示,其QKD设备的平均误码率低至2%左右,最低仅为0.5%,且保持稳定,达到了一个领先的数据水平。“误码率越低,剔除的信息越少,设备性能就越好。”宋萧天博士解释道。

平均误码率为2%,最低仅为0.5%,这样的数据是如何达到的?宋萧天博士说,团队从方案设计、探测器性能、干涉环匹配程度再到调制精度等各个环节都进行了深究。

在方案设计上,团队采用相位编码原理,也就是马赫-曾德干涉仪,加上消偏器,用消偏的方式抵抗信道中的偏振变化,设计出独有的方案。此方案主要设计者正是宋萧天博士,设计方案也获得了相关知识产权。

在干涉环的匹配程度上,匹配程度越高误码率就越低,这是针对系统误差的检测改良,需考虑光强与光强比的契合程度;在探测器性能上,也就是单光子探测器,需运用雪崩光电二极管,但由于此二极管需要的技术较高,市场被国外企业垄断,团队主要从外部电路的设计上进行改观,需要考虑暗计数、后脉冲、探测效率等指标(暗计数率低于;后脉冲率≤2%;探测效率是10%(±1%));在调制精度上,采用自适应的方法,做到高效精准的反馈机制。这些都是研发中需要面对并解决的问题。

在宋萧天博士看来,误码率的突破只是九州量子QKD设备研发进程中的一个“小胜利”。现在九州量子的QKD设备,系统重复频率为40MHz,在10dB链路衰减下(50公里)得到的安全成码率不低于1.5kbps。接下来还会往更高的频率突破,从40MHz提高到GHz,所有的器件、原理都将迎来新的突破。届时,所有电光调制器件、激光器、探测器等软硬件设备都将匹配到更高级别的水准,迎来新一轮的突破。

三、复合型人才,助力量子通信从实验室走向产业化

如今,九州量子的QKD设备研发团队已有40人,并按照QKD设备的不同模块分为5个组:硬件,专门做高速电路,电路设计;软件,编写整个代码,负责整个系统运行;算法,专注于密钥分发中误码的纠错;基础物理,做整个系统的顶层设计;FPGA,操作系统中的中间衔接部分。

团队各个部分的成员不仅有光学专业,更有来自于物理、计算机、电子等各个专业,学历组成也是由博士、研究生、经验丰富的本科生组成,宋萧天说,这样有利于项目的整体进程开展。

“最顶层的肯定是需要熟悉量子这一块,但是也需要人去把量子组成的需求分发到每个模块,比如说加一个电压,在光学那边,就是需要调制什么样的信号;对做电路的人来说就是单纯明白如何能达到电压即可。总之是一层一层划分,最后到每一个工程师手上,就是他所熟悉的一个东西。

谈到未来的规划,宋萧天说,“GHZ是我们必经的一个阶段。现在我们已完成的QKD设备是40HZ,对于一般企业来说足够用了,但在骨干网上,电子学的信号达到G赫兹后,它会变成射频的信号,整个信号处理势必会引起质变。传播速度会更快、传输信息也会更多。这一块我们已经开始着手,并且也取得了一定的成果,下一步就是要将GHZ的量子QKD系统调制为能产业化的生产状态。“

除了GHZ,设备集成化也是正在着手处理的事,宋萧天表示:“量子设备的成本一直居高不下,如果能通过集成化的方式降低成本,将更有利于量子产业化的进程。”

此外,新场景的应用也是九州量子研发团队的重点关注方向。 “目前,QKD使用过程中面临的问题之一是客户不知该如何使用,不管是中间布网还是具体的应用需求都不够清晰,所以,现在市场上统一的一个模式就是供给方卖、需求方用。” 宋萧天说,“九州量子更多的是针对客户独家定制,所以我们会安排团队中的成员提前去接触具体场景的应用,有好的方向会及时关注、跟进。接下来,我们会有针对不同场景的QKD设备产品陆续推出。”

责任编辑: 柯鹏

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