[论文解读] 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 4

一句话总结

本论文首次在真实场景中实现了800 Gbps量子加密光通道与多个C频段DWDM通道的复用，采用O频段QKD技术，通过长达100 km的标准光纤传输。在70 km处，实现了66.16 kbps的密钥生成速率，足以支持258条使用AES-256-GCM加密的高速数据通道，并成功在量子加密链路上传输了区块链应用。

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.

研究动机与目标

• 验证在真实世界、关键任务级城域网络中部署高容量量子加密光通道的可行性。
• 展示在相同光纤上通过波分复用技术实现800 Gbps经典数据通道与QKD通道共存。
• 在真实条件下评估系统性能，包括光纤距离、衰减及通道间串扰的影响。
• 证明QKD可无缝集成至现有网络基础设施中，无需专用光纤或新建站点。
• 展示通过量子加密光通道端到端保护金融交易的区块链应用安全性。

提出的方法

• 在摩根大通光学传输实验室的实验测试平台中，使用真实运行设备，模拟城域级数据中心互联链路。
• 采用1310 nm量子信道的偏振编码诱骗态BB84 QKD协议，与C频段的800 Gbps及多个100 Gbps DWDM通道复用。
• 使用商用Waveserver系统实现高速数据传输，并通过光传输系统插入额外DWDM通道以研究串扰影响。
• 应用可变光衰减器（VOAs）模拟真实信号损耗，评估1310 nm波长下QKD性能影响。
• 在800 Gbps量子加密通道上部署轻量级Liink区块链应用，实现端到端安全的节点发现与交易传播。
• 测量不同距离（最高100 km）和功率水平下的密钥生成速率（SKR）、量子误码率（QBER）及系统稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在100 km标准单模光纤（SMF-28 G.652.D）上，将800 Gbps经典数据通道与QKD通道成功复用于同一根光纤？
• RQ2 在真实运行环境中，与高容量DWDM通道共存时，QKD可实现的密钥生成速率（SKR）是多少？
• RQ3 光纤长度、发射功率和信号衰减如何影响共传输场景下量子信道的性能？
• RQ4 是否可无需额外应用层加密，安全地在QKD加密光通道上传输生产级区块链应用？
• RQ5 是否可在不使用专用光纤或新建站点的前提下，实现QKD在现有网络基础设施中的部署？

主要发现

• 成功在100 km标准单模光纤上实现800 Gbps QKD加密光通道，采用C频段DWDM与O频段QKD复用技术。
• 在70 km处，系统实现66.16 kbps的密钥生成速率，足以支持258条使用AES-256-GCM加密、密钥每秒更新一次的100 Gbps QKD加密数据通道。
• 系统在长达100 km的距离内保持稳定性能，80–100 km区间将发射功率提升至2 dBm以维持信号完整性。
• 通过插入额外DWDM通道评估通道间串扰，结果表明在合理管理下对QKD性能影响极小。
• 区块链应用成功实现端到端传输，接收方确认收到交易并验证区块已成功写入。
• 研究证实，QKD可无需专用光纤或新建站点，直接部署于现有网络设施中，实现向关键任务基础设施的实用化集成。