[论文解读] The DARPA Quantum Network

Chip Elliott|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2018

Quantum Information and Cryptography参考文献 6被引用 49

一句话总结

DARPA 量子网络是世界上首个投入运行的量子密钥分发（QKD）网络，于马萨诸塞州剑桥市部署，采用六台QKD节点通过暗光纤和光分路开关连接。该网络实现了持续、全天候的量子密码学应用，支持互操作的弱相干QKD系统与高速自由空间QKD，标志着首个持续运行的都市级QKD网络部署。

ABSTRACT

To a surprising extent, however, these limitations can be mitigated or even completely removed by building QKD networks instead of the traditional stand-alone QKD links. Accordingly, a team of participants from BBN Technologies, Boston University, and Harvard University has recently built and begun to operate the world’s first quantum key distribution network under Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) sponsorship.∗The DARPA Quantum Network became fully operational on October 23, 2003, in BBN’s laboratories, and in June 2004 it was fielded through dark fiber underneath the streets of Cambridge, Massachusetts, to link our campuses with nonstop quantum cryptography, 24 hours per day. It is the world’s first quantum cryptography network and indeed probably the first metro-area QKD deployment in continuous operation. As of December 2004, it consists of six QKD nodes. Four are used in BBN-built, interoperable weak-coherent QKD systems running at a 5-MHz pulse rate through telecommunications fiber and inter-connected via a photonic switch. Two are electronics built by the National Institute of Standards and Technology (NIST) for a high-speed free-space QKD system. All run BBN’s full suite of production-quality QKD protocols. In the near future, we plan to add four more quantum cryptographic nodes based on a variety of physical phenomena and start testing the resulting network against sophisticated attacks.

研究动机与目标

• 通过部署网络化量子密码学基础设施，克服独立QKD链路的局限性。
• 在真实城市环境中展示多节点、运行中的QKD网络的可行性。
• 利用光纤和自由空间QKD技术，实现持续、可靠的量子密钥分发。
• 建立一个测试平台，用于评估QKD网络在复杂网络攻击下的表现。
• 将多种物理实现的QKD节点集成到统一的互操作网络框架中。

提出的方法

• 部署六台QKD节点：四台基于BBN的弱相干QKD系统，以5 MHz脉冲速率在通信光纤上运行。
• 通过光分路开关连接光纤节点，实现量子信道的动态路由。
• 集成由NIST开发的两套高速自由空间QKD系统，用于视距内的量子密钥交换。
• 所有节点均使用BBN的全套生产级QKD协议，确保互操作性。
• 利用剑桥街道下的暗光纤基础设施，提供稳定、低损耗的传输介质。
• 自2003年10月23日起实现网络的持续、全天候运行，2004年6月完成现场部署。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用现有光纤基础设施，在都市城市环境中可靠部署并运行多节点QKD网络？
• RQ2 在共享网络中，互操作QKD协议在不同硬件平台上的实现效率如何？
• RQ3 在长时间运行下，持续运行的QKD网络的性能与稳定性特征是什么？
• RQ4 网络化QKD架构如何缓解点对点QKD系统存在的局限性？
• RQ5 在统一网络中集成自由空间QKD与光纤QKD面临哪些实际挑战？

主要发现

• DARPA 量子网络于2003年10月23日全面投入运行，首次实现QKD网络的持续、全天候运行。
• 该网络于2004年6月通过暗光纤现场部署，成为世界上首个持续运行的都市级QKD网络部署。
• 截至2004年12月，该网络包含六台运行中的QKD节点，其中包括四台光纤节点和两台自由空间系统。
• 网络成功展示了BBN的弱相干QKD系统与NIST的高速自由空间QKD系统之间的互操作性。
• 基于光分路开关和暗光纤的网络架构，实现了跨多个节点的可靠且持续的量子密钥分发。
• 该项目为未来扩展奠定了基础，计划基于多种物理现象增加四台新的量子密码学节点。