[論文レビュー] Paving the Way towards 800 Gbps Quantum-Secured Optical Channel Deployment in Mission-Critical Environments

Marco Pistoia, Omar Amer+17 more|arXiv (Cornell University)|Feb 15, 2022

Quantum Information and Cryptography被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、標準シングルモードファイバーを100 kmまで使用し、Cバンドに複数のDWDMチャネルと多重化された800 Gbpsの量子暗号保護光学チャネルを、Oバンドで1310 nmのQKDを用いて実験的に初めて実装した。70 kmでは66.16 kbpsの秘密鍵レートを達成し、AES-256-GCMを用いて258の高速データチャネルを安全に暗号化したほか、ブロックチェーンアプリケーションを量子暗号保護リンクを介して正常に送信した。

ABSTRACT

This article describes experimental research studies conducted towards understanding the implementation aspects of high-capacity quantum-secured optical channels in mission-critical metro-scale operational environments using Quantum Key Distribution (QKD) technology. To the best of our knowledge, this is the first time that an 800 Gbps quantum-secured optical channel -- along with several other Dense Wavelength Division Multiplexed (DWDM) channels on the C-band and multiplexed with the QKD channel on the O-band -- was established at distances up to 100 km, with secret key-rates relevant for practical industry use cases. In addition, during the course of these trials, transporting a blockchain application over this established channel was utilized as a demonstration of securing a financial transaction in transit over a quantum-secured optical channel. The findings of this research pave the way towards the deployment of QKD-secured optical channels in high-capacity, metro-scale, mission-critical operational environments, such as Inter-Data Center Interconnects.

研究の動機と目的

• 実世界のミッションクリティカルなメトロスケールネットワークに、大容量で量子暗号保護された光学チャネルを実装可能かどうかを検証すること。
• 同じファイバーに波長分割多重を用いて、800 Gbpsの古典的データチャネルとQKDチャネルを共存させることを実証すること。
• ファイバー距離、減衰、チャネル間干渉などの実環境要因を考慮した状態でのシステム性能を評価すること。
• 専用ファイバーを設けることなく、新規サイトを建設することなく、既存のネットワークインfraにQKDを統合できるかどうかを実証すること。
• 量子暗号保護光学チャネル上を介して、ブロックチェーンアプリケーションを用いた金融取引のエンドツーエンドセキュリティを実証すること。

提案手法

• JPMorgan Chaseのオプティカルトランスポートラボで運用中の実機器を用いたラボテストベッドを用い、メトロスケールのデータセンター間リンクをシミュレートした実験を実施した。
• Oバンドの1310 nm量子チャネルに偏光符号化デコイ状態BB84 QKDプロトコルを採用し、Cバンドに800 Gbpsおよび複数の100 Gbps DWDMチャネルと多重化した。
• 高速データ伝送に商用のWaveserverシステムを、干渉評価のための追加DWDMチャネル挿入に光ファイバー線路システムを用いた。
• 実環境の信号損失を再現するため、可変光減衰器（VOA）を用い、1310 nmでのQKD性能に与える影響を評価した。
• 軽量なLiinkブロックチェーンアプリケーションを800 Gbpsの量子暗号保護チャネル上に展開し、ピア発見および取引伝達をエンドツーエンドで保護した。
• 距離（最大100 km）および電力レベルを変化させた状態で、秘密鍵レート（SKR）、量子ビット誤り率（QBER）、システム安定性を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 100 kmの標準SMF-28 G.652.Dファイバーを用いて、同じファイバーに800 Gbpsの古典的データチャネルとQKDチャネルを多重化することは可能か？
• RQ2 実環境の運用環境下で、大容量DWDMチャネルと共存するQKDの実現可能な秘密鍵レート（SKR）はどの程度か？
• RQ3 ファイバー長、出力電力、信号減衰が、共伝送環境下での量子チャネル性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 追加のアプリケーションレベル暗号化を施さずに、本格的なブロックチェーンアプリケーションをQKD保護光学チャネル上で安全に送信できるか？
• RQ5 専用ファイバーを設けることなく、新規サイトを建設することなく、既存のネットワークインfraにQKDを展開可能か？

主な発見

• CバンドのDWDMとOバンドのQKDを多重化することで、標準シングルモードファイバー100 kmにわたって800 GbpsのQKD保護光学チャネルを正常に構築した。
• 70 kmでは66.16 kbpsの秘密鍵レートを達成し、1秒ごとの鍵リフレッシュレートでAES-256-GCMを用いて258のQKD保護100 Gbpsデータチャネルをサポートするのに十分な性能を示した。
• 80–100 kmでは信号整合性を維持するため出力電力を2 dBmまで増加させたが、100 kmまで安定した性能を維持した。
• 追加のDWDMチャネルを挿入することでチャネル間干渉を評価した結果、適切に管理すればQKD性能への影響は最小限に抑えられることを確認した。
• ブロックチェーンアプリケーションは量子暗号保護チャネル上をエンドツーエンドで正常に取引を伝送し、受信側で受信確認およびブロックへの含め込みを確認した。
• 本研究では、専用ファイバーを設けることなく、新規サイトを建設することなく、既存のネットワーク施設にQKDを展開可能であることを確認した。これにより、ミッションクリティカルインfraへの実用的統合が可能であることが実証された。