[论文解读] Experimental unconditionally secure covert communication in dense wavelength-division multiplexing networks

Yang Liu, Juan Miguel Arrazola+9 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2017

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一句话总结

本论文首次在密集波分复用（DWDM）网络中，通过利用共传输的经典信道产生的串串扰噪声来隐藏量子信号，实现了在10公里光纤上无条件安全的隐蔽通信的实验演示。该协议通过利用拉曼串串扰作为噪声源，实现了对无限量子攻击者的可证明安全性，成功传输了三条不同消息，误码率均低于24%，并通过多数投票实现正确解码。

ABSTRACT

Covert communication offers a method to transmit messages in such a way that it is not possible to detect that the communication is happening at all. In this work, we report an experimental demonstration of covert communication that is provably secure against unbounded quantum adversaries. The covert communication is carried out over 10 km of optical fiber, addressing the challenges associated with transmission over metropolitan distances. We deploy the protocol in a dense wavelength-division multiplexing infrastructure, where our system has to coexist with a co-propagating C-band classical channel. The noise from the classical channel allows us to perform covert communication in a neighbouring channel. We perform an optimization of all protocol parameters and report the transmission of three different messages with varying levels of security. Our results showcase the feasibility of secure covert communication in a practical setting, with several possible future improvements from both theory and experiment.

研究动机与目标

• 展示在城域规模光纤网络中实用的、无条件安全的隐蔽通信。
• 在不假设窃听者能力的前提下，实现对无限量子攻击者的安全防护。
• 将隐蔽通信集成到现有的密集波分复用（DWDM）基础设施中，以实现低成本部署。
• 利用经典信道的串串扰噪声作为量子信号的天然隐藏源。
• 通过可测量的性能指标，验证在真实光纤网络中隐蔽通信的可行性。

提出的方法

• 协议采用时间-bin编码，并结合量子随机数生成来选择信号时隙，以确保低可探测性。
• 利用DWDM系统中相邻C波段经典信道产生的串串扰噪声作为背景噪声源，以掩盖量子信号。
• 通过优化信号概率、平均光子数（μ）以及时间-bin对数量（N），在保持隐蔽传输的同时最小化检测偏差（ε）。
• 采用多数投票解码方案恢复比特，重复率根据信噪比和容错能力进行调整。
• 协议使用基于光纤的发射器实现，并通过光纤和连续波（CW）激光噪声源进行对比验证。
• 通过满足隐蔽通信的平方根定律，确保安全性，参数调优后使所有消息的ε < 0.1。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在真实城域规模DWDM网络中实验实现隐蔽通信？
• RQ2 能否有效利用经典信道的串串扰噪声实现无条件安全的隐蔽通信？
• RQ3 在实际光纤环境中，能否实现对无限量子攻击者的可证明安全性？
• RQ4 不同信号与噪声参数如何影响隐蔽通信的误码率与传输效率？
• RQ5 该协议能否在保持隐蔽与可靠传输的前提下，适应不同消息长度与重复率？

主要发现

• 系统成功在10公里光纤上以多数投票方式正确解码了三条隐蔽消息——'CQTUSTC'、'PRTYSAT@NINE' 和 'QPQI'。
• 误码率分别为13.67%、14.85% 和 23.62%，均低于通过重复实现可靠解码的阈值。
• 消息'QPQI'的检测偏差为0.070，共使用3.71×10^9个时隙，运行时间为7,420秒。
• 使用光纤发射器时，信号概率在8.42×10⁻³至9.26×10⁻²之间，噪声概率在1.04×10⁻³至2.23×10⁻²之间。
• 当使用CW激光作为噪声源时，误码率略有下降（13.08%至23.34%），但基于光纤的系统在噪声真实性和隐蔽性能方面表现更优。
• 该协议分别成功传输了68,651、96,919 和 8,416个隐蔽信号，μ值介于0.0357至0.278之间。