客观日本

玉川大学成功实现超1万公里安全光纤通信,可横跨太平洋

2020年12月17日 信息通信

本文根据玉川大学成果发布编译整理而成

玉川大学量子信息科学研究所的谷泽健副教授和二见史生教授利用该研究所研究的相位调制式Y-00光通信量子密码(以下简称Y-00密码)证明,可以实现10,000km以上的安全光纤通信。这种通信方法利用量子噪声的真正随机性对信号进行加密,因此可以防止光纤窃听。利用此次的成果,横跨太平洋的海底光缆也有望实现加密的安全通信系统。

Y-00密码是一种通过密钥生成多值光信号,在接收信号时利用不可避免的量子噪声的真正不确定性来防止光纤窃听的技术。此前已利用调制光强度的方式证明最长可实现1,000km的光纤传输距离。

此次通过采用调制光相位的Y-00加密方式接收相干光,成功实现了远远超过此前的传输距离的10,118km加密光纤通信。通过采用玉川大学自主开发的技术——粗密光相位随机化方法,还同时实现了高安全性。

图1是采用有望通过此次的成果实现的Y-00密码的安全海底光缆通信示意图。海底光缆的光信号每隔50~60km左右被光放大器放大一次,例如日美之间的总距离约为10,000km。此次在实验室里构筑了模拟海底光缆的实验系统,成功实施了以每秒40Gbit(可以在1秒内传输1张DVD内容的通信速度)的速度对每隔约50km进行一次光放大的总长度为10,118km的光纤进行加密通信的实验。如图所示,即使窃听者拦截了光纤中的信号,也会因量子噪声的影响而发生接收错误。因此,可实现难以分析其内容并破译正确信息的安全通信。

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图1:有望通过此次研究成果实现的加密海底光缆通信示意图

图2是利用相位调制式Y-00密码实施10,000km以上的远程通信实验的构成。将数据和密钥输入Y-00密码生成部,转换成多值信号,并调制波长为1550nm的激光相位,生成Y-00密码。利用IQ调制器调制数据后,通过粗密光相位随机化方法进行加密。

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图2:Y-00密码的远程通信实验的构成

粗密光相位随机化方法通过同步驱动两个相位调制器,可以实现超过单体电数模转换分辨率的超多值光相位随机化。加密后的光信号达到218值相位水平。进行偏振复用后的数据速率为40Gbit/s,长距离光纤传输利用光路传输系统进行。接收端进行了采用自由振荡的激光作为局部光的内差式(Intradyne)相干接收。数字化后通过整合了密码解密的数字信号处理对数据进行解调。

图3是把到光纤链路的光信号输入功率设为-7dBm,改变传输距离时的接收Q值。红线是Y-00密码,蓝线是参考的非加密信号。在10,118km的传输距离中,Q值超过了软决策纠错码阈值,保证了适当的信号品质。从接收信号的星座图中可以确认,通过密码解密恢复了QPSK数据调制。在通过粗密光相位随机化方法实现的218值相位级Y-00密码中,量子噪声覆盖了相邻的约230个信号。由此,窃听者尝试接收密码时的误码率非常高,达到0.9965以上,实现了非常高的防窃听安全性。

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图3:接收Q值与传输距离的关系及传输10,118km后的星座图

论文信息
题目:Security-Enhanced 10,118-km Single-Channel 40-Gbit/s Transmission Using PSK Y-00 Quantum Stream Cipher
学会:46th European Conference on Optical Communications (ECOC 2020)

日语发布资料
编译:JST客观日本编辑部

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