Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Giao tiếp lượng tử từ vệ tinh đến tàu ngầm dựa trên phân phối khóa lượng tử liên tục độc lập thiết bị đo
Tóm tắt
Trong giao tiếp lượng tử từ vệ tinh đến tàu ngầm, bề mặt biển, có thể gây ra khúc xạ và lệch ánh sáng khi truyền, là một trở ngại không thể xem nhẹ. Những tác động tiêu cực này có thể dẫn đến sự giảm sút hiệu suất nghiêm trọng. Trong bài báo này, chúng tôi tiến hành giao tiếp lượng tử từ vệ tinh đến tàu ngầm bằng cách khai thác nguyên tắc phân phối khóa lượng tử liên tục độc lập thiết bị đo (MDI-CVQKD). Cụ thể, bằng cách triển khai bên không đáng tin cậy Charlie trên bề mặt biển, kênh lượng tử từ vệ tinh đến tàu ngầm có thể được chia thành hai phần, đó là kênh khí quyển và kênh nước biển. Các tín hiệu lượng tử không còn cần phải đi qua bề mặt biển, mà có thể được đo trực tiếp tại trạm của Charlie. Theo cách này, các tác động tiêu cực do bề mặt biển gây ra có thể được loại bỏ một cách khéo léo. Phân tích an ninh cho thấy cơ chế mà chúng tôi đề xuất là khả thi, do đó cung cấp một ý tưởng mới để thực hiện giao tiếp lượng tử từ vệ tinh đến tàu ngầm.
Từ khóa
#giao tiếp lượng tử #phân phối khóa lượng tử #vệ tinh #tàu ngầm #khú xạ #hiệu suấtTài liệu tham khảo
Gisin, N., Ribordy, G., Tittel, W., Zbinden, H.: Quantum cryptography. Rev. Modern Phys. 74(1), 145 (2002)
Ralph, T.C.: Continuous variable quantum cryptography. Phys. Rev. A 61(1), 010303 (1999)
Mao, Y., Huang, W., Zhong, H., Wang, Y., Qin, H., Guo, Y., Huang, D.: Detecting quantum attacks: a machine learning based defense strategy for practical continuous-variable quantum key distribution. New J. Phys. 22(8), 083073 (2020)
Liao, Q., Xiao, G., Zhong, H., Guo, Y.: Multi-label learning for improving discretely-modulated continuous-variable quantum key distribution. New J. Phys. 22, 083086 (2020)
Marcikic, I., De Riedmatten, H., Tittel, W., Zbinden, H., Gisin, N.: Long-distance teleportation of qubits at telecommunication wavelengths. Nature 421(6922), 509 (2003)
Bennett, C.H., Bessette, F., Brassard, G., Salvail, L., Smolin, J.: Experimental quantum cryptography. J. Cryptol. 5(1), 3 (1992)
Guo, Y., Xie, C., Huang, P., Li, J., Zhang, L., Huang, D., Zeng, G.: Channel-parameter estimation for satellite-to-submarine continuous-variable quantum key distribution. Phys. Rev. A 97(5), 052326 (2018)
Su, Y., Guo, Y., Huang, D.: parameter optimization based BPNN of atmosphere continuous-variable quantum key distribution. Entropy 21(9), 908 (2019)
Heim, B., Peuntinger, C., Killoran, N., Khan, I., Wittmann, C., Marquardt, C., Leuchs, G.: Atmospheric continuous-variable quantum communication. New J. Phys. 16(11), 113018 (2014)
Zhou, Y.Y., Zhou, X.J., Xu, H.B., Cheng, K.: Research on measurement-device-independent quantum key distribution based on an air-water channel. Optoelectron. Lett. 12(6), 469 (2016)
Wang, Y., Zou, S., Mao, Y., Guo, Y.: Improving underwater continuous-variable measurement-device-independent quantum key distribution via zero-photon catalysis. Entropy 22(5), 571 (2020)
Wang, S., Huang, P., Wang, T., Zeng, G.: Atmospheric effects on continuous-variable quantum key distribution. New J. Phys. 20(8), 083037 (2018)
Cox, C., Munk, W.: Measurement of the roughness of the sea surface from photographs of the sun’s glitter. Josa 44(11), 838 (1954)
Han, W., Wu, X.R., Zhu, Y., Zhang, W., Zhou, B.: The Trust Relay QKD Network Communication Research, In: Advanced Materials Research, vol. 709 (Trans Tech Publ, 2013), vol. 709, pp. 421–426
Liao, Q., Liu, H., Zhu, L., Guo, Y.: Quantum secret sharing using discretely modulated coherent states. Phys. Rev. A 103(3), 032410 (2021)
Li, Z., Zhang, Y.C., Xu, F., Peng, X., Guo, H.: Continuous-variable measurement-device-independent quantum key distribution. Phys. Rev. A 89(5), 052301 (2014)
Xu, F., Curty, M., Qi, B., Qian, L., Lo, H.K.: Discrete and continuous variables for measurement-device-independent quantum cryptography. Nature Photon. 9(12), 772 (2015)
Ma, H.X., Huang, P., Bai, D.Y., Wang, T., Wang, S.Y., Bao, W.S., Zeng, G.H.: Long-distance continuous-variable measurement-device-independent quantum key distribution with discrete modulation. Phys. Rev. A 99(2), 022322 (2019)
Zhang, X., Zhang, Y., Zhao, Y., Wang, X., Yu, S., Guo, H.: Finite-size analysis of continuous-variable measurement-device-independent quantum key distribution. Phys. Rev. A 96(4), 042334 (2017)
Yin, H.L., Zhu, W., Fu, Y.: Phase self-aligned continuous-variable measurement-device-independent quantum key distribution. Sci. Rep. 9(1), 1 (2019)
Ma, X.C., Sun, S.H., Jiang, M.S., Gui, M., Liang, L.M.: Gaussian-modulated coherent-state measurement-device-independent quantum key distribution. Phys. Rev. A 89(4), 042335 (2014)
Pirandola, S., Ottaviani, C., Spedalieri, G., Weedbrook, C., Braunstein, S.L., Lloyd, S., Gehring, T., Jacobsen, C.S., Andersen, U.L.: High-rate measurement-device-independent quantum cryptography. Nature Photon. 9(6), 397 (2015)
Guo, Y., Li, R., Liao, Q., Zhou, J., Huang, D.: Performance improvement of eight-state continuous-variable quantum key distribution with an optical amplifier. Phys. Lett. A 382(6), 372 (2018)
Liao, Q., Xiao, G., Xu, C.G., Xu, Y., Guo, Y.: Discretely modulated continuous-variable quantum key distribution with an untrusted entanglement source. Phys. Rev. A 102(3), 032604 (2020)
Pirandola, S.: Entanglement reactivation in separable environments. New J. Phys. 15(11), 113046 (2013)
Hu, C.Q., Yan, Z.Q., Gao, J., Li, Z.M., Zhou, H., Dou, J.P., Jin, X.M.: Decoy-state quantum key distribution over a long-distance high-loss air-water channel. Phys. Rev. Appl. 15(2), 024060 (2021)
Johnson, L.J., Green, R.J., Leeson, M.S.: Underwater optical wireless communications: depth dependent variations in attenuation. Appl. Opt. 52(33), 7867 (2013)
Haltrin, V.I.: Chlorophyll-based model of seawater optical properties. Appl. Opt. 38(33), 6826 (1999)
Uitz, J., Claustre, H., Morel, A., Hooker, S.B.: Vertical distribution of phytoplankton communities in open ocean: An assessment based on surface chlorophyll, Journal of Geophysical Research: Oceans 111(C8) (2006)
Bricaud, A., Babin, M., Morel, A., Claustre, H.: Variability in the chlorophyll-specific absorption coefficients of natural phytoplankton: analysis and parameterization. J. Geophys. Res. Oceans 100(C7), 13321 (1995)
Pope, R.M., Fry, E.S.: Absorption spectrum (380–700 nm) of pure water II. Integrating cavity measurements. Appl. Opt. 36(33), 8710 (1997)
NASA Earth Observatory. Chlorophyll & sea surface temperature. https://earthobservatory.nasa.gov/global-maps/MY1DMM_CHLORA/MYD28M
Gariano, J., Djordjevic, I.B.: Theoretical study of a submarine to submarine quantum key distribution systems. Opt. Expr. 27(3), 3055 (2019)
Bonato, C., Tomaello, A., Da Deppo, V., Naletto, G., Villoresi, P.: Feasibility of satellite quantum key distribution. New J. Phys. 11(4), 045017 (2009)
Andrews, L.C., Phillips, R.L., Young, C.Y.: Scintillation model for a satellite communication link at large zenith angles. Opt. Eng. 39(12), 3272 (2000)
Andrews, L.C., Phillips, R.L., Hopen, C.Y.: Laser beam scintillation with applications, Laser beam scintillation with applications, vol. 99. SPIE press, NY (2001)
Wang, Y., Fan, C., Wei, H.: Laser Beam Propagation and Applications through the Atmosphere and Sea Water. National Defense Industry Press, Beijing, China (2015)
Zunino, L., Gulich, D., Funes, G., Pérez, D.G.: Turbulence-induced persistence in laser beam wandering. Optics Lett. 40(13), 3145 (2015)
Holevo, A.S.: Bounds for the quantity of information transmitted by a quantum communication channel. Probl. Peredachi Inf. 9(3), 3 (1973)
Ghorai, S., Grangier, P., Diamanti, E., Leverrier, A.: Asymptotic security of continuous-variable quantum key distribution with a discrete modulation. Phys. Rev. X 9(2), 021059 (2019)
Lin, J., Upadhyaya, T., Lütkenhaus, N.: Asymptotic security analysis of discrete-modulated continuous-variable quantum key distribution. Phys. Rev. X 9(4), 041064 (2019)
Liu, W.B., Li, C.L., Xie, Y.M., Weng, C.X., Gu, J., Cao, X.Y., Lu, Y.S., Li, B.H., Yin, H.L., Chen, Z.B.: Homodyne detection quadrature phase shift keying continuous-variable quantum key distribution with high excess noise tolerance. PRX Quantum 2, 040334 (2021)
Ma, X.C., Sun, S.H., Jiang, M.S., Liang, L.M.: Wavelength attack on practical continuous-variable quantum-key-distribution system with a heterodyne protocol. Phys. Rev. A 87(5), 052309 (2013)
Wang, P., Wang, X., Li, J., Li, Y.: Finite-size analysis of unidimensional continuous-variable quantum key distribution under realistic conditions. Optics Exp. 25(23), 27995 (2017)
Lupo, C., Ottaviani, C., Papanastasiou, P., Pirandola, S.: Continuous-variable measurement-device-independent quantum key distribution: composable security against coherent attacks. Phys. Rev. A 97(5), 052327 (2018)
Tomamichel, M.: A framework for non-asymptotic quantum information theory, arXiv preprint arXiv:1203.2142 (2012)
Pirandola, S., Andersen, U.L., Banchi, L., Berta, M., Bunandar, D., Colbeck, R., Englund, D., Gehring, T., Lupo, C., Ottaviani, C., et al.: Advances in quantum cryptography. Adv. Opt. Photon. 12(4), 1012 (2020)
Papanastasiou, P., Pirandola, S.: Continuous-variable quantum cryptography with discrete alphabets: composable security under collective Gaussian attacks. Phys. Rev. Res. 3(1), 013047 (2021)